[发明专利]利用人工激振的结构动力特性快速测试方法

说明书

本发明涉及一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，包括：S1.利用可穿戴传感器和测力板，建立实测人致荷载数据库；S2.对实测人致荷载地反力和人体特征点运动加速度归一化后进行比较，获得人体运动特征点加速度‑地反力关系；S3.利用人的跳跃、摇摆等运动对待测结构进行动力激振，并同步测量人体运动时的特征点加速度和结构在对应方向上的响应时程；S4.利用S2中所求的关系，重构人工激振的激振力时程；S5.根据上述步骤所测得的结构激励和响应，利用模态测试技术，获得结构的自振频率、阻尼比、模态质量等动力特性。本发明可以对多种不同的结构形式进行多种方向的激振并进行快速动力测试，且测试结果可信度较高。

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，可用于结构检测和既有建筑的健康监测及振动控制，尤其是涉及一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法。

背景技术

随着建筑工业的发展，轻质高强材料的广泛应用，越来越多新的建筑结构形式得以实现，这些新的结构通常具有结构跨度大，自重轻，阻尼比和刚度较小等特点，在人的行走、跳跃等活动作用下容易产生较明显的振动。而随着人民生活水平的提高，对工作、居住条件的要求也日益增长，建筑结构的振动舒适度问题也日益难以忽视。

基于安全长期的使用，各类设备安装需要，以及规范等舒适度限制的要求，大量的大跨及中小型结构需要进行振动模态测试。利用环境激励或各类激振装置进行工程结构现场模态测试，获得其自振频率、阻尼比、模态质量等动力参数，对于提升数值建模及分析精度，检测结构损伤等有十分重要的意义。结构动力测试一般利用环境激励或激振装置引起结构的响应，由输入和输出通过系统识别、信号处理等技术获得结构参数及响应幅值。其中，环境激励虽然方便，但参数测试精度总体较低，尤其是对结构阻尼比和高阶模态的测试；而激振器等装置的使用虽然能够提高测试的精度和范围，但激振设备存在安装和调试过程复杂、需要较大的外界能量输入、以及难以获得足够的低频激励等不足，难以广泛便捷地运用于量大面广的中小型结构的测试中。

利用人的活动作为结构激励源的方法由来已久，如利用足跟落地冲击对结构施加荷载的落踵法在工程实践中就有超过30年的运用历史，并被多条规范选取作为结构验收的辅助测试方法。然而，一直以来对人工激振的应用都仅把人体作为会自行移动的“沙袋”，没有充分发挥人类的智能优势，而人体作为综合了能量供应，声光信号接收和处理和动力输出的智能系统，是一种理想的低频“人工振源”，以往的人致荷载导致的结构舒适度及安全性事故也从侧面证明了人工激振的潜力。而欲将人体作为结构模态测试的激振源，需要解决下述两个问题：①人工激振力的精确测量，及动力测试时的激励输入；②结构响应的同步测量，即动力测试的输出信息。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述结构动力测试技术所存在的缺陷而提供的一种精度较高，快速简便、成本低廉的利用人工激振的结构动力特性快速测试方法。创新性地利用人的规律运动取代激振设备成为结构动力测试的激励源。与利用动力设备进行激励的测试方法相比，本方法具有无需动力设备与相应能源，测试过程简便易重复，适合中小型结构快速测试的优点，与以往利用足跟冲击的“落踵法”相比，本方法能输出持续的激振力，充分激发结构的振动模态，减少了噪声的影响，具有更好的准确性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种利用人工激振的结构动力特性快速测试方法，该方法包括：

S1.人工激振数据库建立步骤：分别利用可穿戴智能传感器和高精度测力板分别测量人体跳跃、摇摆、屈伸运动(Bounce)时身体特征点的运动加速度与地面反作用力，建立实测人致荷载数据库；

S2.对实测人致荷载地反力和人体特征点运动加速度归一化后进行比较，获得人体运动特征点加速度-地反力关系，即人体运动的人致荷载模型。人体运动为较为规律的周期性运动，故利用其特征点加速度和地反力测量值各自平移至均值为零后的RMS(均方根)值进行比较，为使结果无量纲化，将特征点加速度与人体质量相乘，比例系数(即人体运动时的质量参与系数)为