结构振动测量

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当存在如建筑工地或不利的风力条件等巨大的振动源时,测量受影响的建筑物和桥梁等结构或地面的振动非常重要。因为至少要确保振动不会给附近的人带来不适,而更重要的是 - 确保振动不会对这些结构造成损坏。

虽然每种结构都会在一定程度上振动,但应监测其限值以确保建筑中各类材料的完整性与可靠性,以及人们的健康和安全。考虑到这些安全和舒适因素,许多国家都制定了相关规范和标准,定义了不同环境中这些振动的限值。

振动监测仪是测量振动水平最常用的工具之一。

结构振动是由机械粒子/质点振荡来定义的。这些振动在三个垂直方向上测量。

哪些场合需要测量结构振动?

需要监测结构振动的场景多种多样,比如:

  • 建筑工地: 这些施工现场通常有大型机械运行,特别是挖掘、打桩、振动压实、拆除和履带式设备,都会产生地面振动,这可能会损坏附近的建筑物。此外,其对人们工作和生活造成的干扰也需要加以规范。 
  • 爆破:必须最大化降低采矿等爆破作业对周围环境、社区和工人安全的影响。 
  • 铁路和公路:在交通高峰时段,需要跟踪建筑和地面振动,以确保附近居民的舒适度。 
  • 隧道:使用盾构机等修建地铁隧道时产生的振动对环境有重大影响,特别是在城市地下,监测隧道上方的地基等结构至关重要。 
  • 桥梁:极端自然灾害和人为因素的结构响应,以及越来越大的交通流量可能导致桥梁结构的突然损坏甚至坍塌。连续或定期评估桥梁状况和性能对于防止桥梁结构性损坏意义重大。

振动监测仪适合广泛的应用。它们被应用于各种领域,如产品测试、水坝监测、拆除、教育以及保护医院、发电站、数据中心、博物馆和历史遗址等敏感结构

测量哪些振动参数?

在振动过程中,结构内的粒子/质点会振动。对于每个轴,质点振动的速度(速率)是通过随时间移动的距离(位移)计算的。

质点速度(v),单位毫米/秒 mm/s,公式:

v = Δd / Δt

Δd → 质点位移,单位毫米 mm
Δt → 时间,单位秒 s

质点峰值速度(PPV)是振动测量的最基本参数。PPV 表示每个轴向上一段时间(T)内的最大质点速度。

PPV 是未计权信号的最大绝对值

通过 PPV 又可以推导出一些常见参数。

质点峰值分量速度(PCPV)是每个轴向上 PPV 值中最大的一个

PCPV = max(PPVx, PPVy, PPVz)

峰值矢量和(PVS) 是同时考虑 x、y 和 z 三个方向上的 PPV 计算出的矢量速度

PVS = √((PPVx)2 + (PPVy)2 + (PPVz)2)

从数学的角度来说,就是 PPV 分量平方和的平方根

和音频信号类似,振动信号也可以分解为单个频率分量(过零点法*或快速傅里叶变换 FFT)。这样,就能从主频率(DF)读取有价值的信息,例如自有(共振)频率的变化。这些频率与结构的刚度成正比。例如钢结构中的频率变化可能表明其存在严重的腐蚀。因此,钢结构桥梁的监测应关注频率的任何偏移。

同一信号在时域和频域中

* 过零点(ZC)是进行频率评估最简单的方法之一。它的工作原理是,由于振动在每个周期内两次穿过 x 轴,我们可以简单地计算穿过次数,然后将其除以 2,再除以观测窗口大小,得到主频。这种方法在有几个完整周期时效果更好。观测窗口的长度越长,精度就越高。

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