研究背景和动机风致振动现象广泛存在于工程领域中，在生产生活的各个领域，经常出现风致振动导致的问题。风荷载是结构设计中需要考虑的一个重要的载荷，是烟囱，避雷针等高耸结构的主要侧向载荷之一。如果避雷针，烟囱的固有频率与风激励的频率接近或相同，就会发生共振，共振严重会损坏结构，造成财产损失以及其他风险。传统上，对烟囱以及避雷针的风致振动测试均采用的是低频拾振器，也即低频振动传感器，配合数据采集器以及分析软件。现场需要做的是将低频拾振器粘贴在烟囱或避雷针的表面，费时费力，且具有相当的危险性。为了解决该问题，我们提出了使用非接触式激光测振仪对烟囱及避雷针进行现场振动测试。不需要在被测表面做任何动作，完全避免了测试准备工作中存在的危险。只需要在远离被测物的场地布置仪器即可轻松、快速且准确地完成测试及结果分析。传统的粘贴式传感器的布线实拍试验搭建我们采用了Polytec公司的RSV-150远距离激光多普勒测振仪对郊区的一座烟囱及其上的避雷针进行了风致振动测试。测试距离超过100米，如下图:图1烟囱图2避雷针图3测试距离图4RSV-150测试结果与讨论避雷针测试结果如下：图5避雷针时域信号图6避雷针频域信号烟囱本体测试结果如下：图7烟囱本体时域信号图8烟囱本体频域信号结论与展望当天测试时为有风天气，且测试在公路边，有车辆经过，从时域信号中可见环境干扰，但对主要频率成分未形成影响，频谱中可见清晰的振动峰值。本次测试的主要难度在于避雷针尺寸较小，距离较远，测试点对准难度较大。德国Polytec公司的RSV-150的激光与相机同轴同焦，可轻易解决以上问题。
随着人们对基础设施的安全性关注度越来越高，对现有结构的安全评估和剩余使用寿命预测提出了挑战。可靠的、技术上可行的和经济的健康监测解决方案是保证结构安全和满足用途的必要条件，是获得有关结构损伤过程和当前结构特性的有用信息的关键前提。卡尔斯鲁厄理工大学的钢筋混凝土和建筑材料系，正在开发基于模态的桥梁上部结构健康监测系统解决方案，这是ZIM合作项目“基于模态的桥梁上部结构损伤分析和监测系统的开发项目”的一部分。与所有结构一样，桥梁在受到激励时也表现出振动特性，这些特性可以用模态参数如特征频率和特征模态来描述。基于模态的监测系统的基本构想是结构的破坏过程伴随着其刚度的变化，这反过来导致模态参数出现可测量变化。模态参数、特征频率和特征模态可以被测量和表征，从而获得有关桥梁状况、承载能力和剩余使用寿命等深入信息。试验搭建在MareikeKohm的指导下，在卡尔斯鲁厄的材料与测试系进行了组件测试，用于模态验证和基于模态的健康监测系统测试。使用一个6.5米长的简单钢筋混凝土横梁作为被测的桥梁模型。钢筋混凝土横梁在试验开始时完好无损，在试验过程中被液压缸逐渐破坏，请参见图1。钢筋混凝土横梁在中心弯曲拉应力作用下产生裂缝，这会通过人工和GOMAramis光学测量系统进行记录，用于后续评估。使用Semex-Engcon的MEMS加速度计记录25个测点的加速度时域数据，用于计量测试和模态参数验证。Polytec多点式激光测振仪(MPV-800系统)的4个光学单元上有27个光学头，共27个测点，这其中包括25个相同测点和支撑轴上的2个额外测点，以检查和验证加速度计的测试结果。图1：试验设置。MPV光学头(安装在Bosch台面上方)和MEMS传感器(钢筋混凝土横梁上的绿色物体)。MPV多点式激光测振仪基于激光多普勒振动测量原理，非接触式测量物体振动。MPV的每个光学单元包含有八个光学头，能同时获取测试数据，因此，MPV尤其适用于测试不可重复事件，比如损坏。两个来自LunaTechnologies(由Polytec公司代理)的Fabry-Perot光纤传感器(OS)也被用作加速度计，以进一步验证测试数据。使用一个简单的手动橡胶力锤在横梁的两个位置上进行激励，然后采用频域分解法确定模态参数。这种方法是工作模态分析中使用的方法之一，其中模态参数仅根据结构的振动响应来评估。此时，激励力可以不用测量。当转换到真实的桥梁结构时，这意味着我们可以使用交通、风和微振动等天然不可测量的激励源，无需中断交通就可完成监测测试。传感器在钢筋混凝土横梁上的定位如图1和图2所示。图2：试验装置方案MPV的27个光学头与钢筋混凝土横梁的顶部对齐(见图3)，并连接到几个组装好的Bosch型材上。四个光学单元的27个光学头全部在1D模式下工作。OS测量系统连接到两个横向测点上，与MEMS传感器相同高度。每个系统的所有测点均同步获取，以便将MEMS与MPV系统进行比较和验证。MPV-800的所有通道均是同步采集测试数据，最多可同时采集48个通道数据，正是为本次测试任务而开发。图3：上图左侧为测试流程，右侧为橡胶力锤在激励位置1处激励(一阶特征模态振幅最大值)测试方法通过MPV、MEMS和OS三种测量系统，在指定的触发阈值下，每个位置测试10次。为了获得时域内的振动衰减，采样时间为15s。每个激励点(Pos.1和Pos.2)的第一系列测试是在液压缸加载之前进行的，此系列测量值被视为横梁未经损坏的参考状态，在下文中称为BE00。在每个完整的激励位置测量后，钢筋混凝土横梁通过位于测试梁中间的液压缸进行加载和卸载。橡胶力锤对试验横梁的激励始终在空载状态下进行。记录16个应力值，直到钢筋混凝土横梁失效。使用FDD方法评估测振仪数据和MEMS传感器的特征频率使用MPV多点式激光测振仪进行评估，从一开始(BE00:未损坏状态下的测试)就可以清晰地显示时域和频域测试数据，包括MPV软件中的共振频率和相应振型。对于另外两个传感器系统而言，它们无法在现场以图形方式显示响应频谱和特征模态，这些必须在数据后处理中进行评估。图4显示了BE00的时域数据和BE00的第一阶到第三阶特征模态(第一阶特征频率11Hz，第二阶特征频率45Hz，第三阶特征频率92Hz)。图4：从上往下：BE00Pos1时域振动速度测试/BE00Pos110Hz一阶特征模态/BE00Pos145Hz二阶特征模态/BE00Pos192Hz三阶特征模态结论与展望总体而言，这三种传感器并没有明显的差异。作为验证系统，MPV-800多点式激光测振仪可以验证MEMS传感器(监测系统)的结果。因此，MPV-800具有与接触式传感器相同的测量精度，同时具有非接触式和测量方式灵活等诸多优势，避免了测量系统对测量结果本身造成任何影响，它获取的是被测结构真实的动力学特性。
结构动力学是一门旨在研究结构在动态载荷作用下的力学特性的工程学科。在这种情况下，当载荷产生足够的加速度来激发出结构的一个或多个固有频率时，就被称之为动态载荷。动态载荷可以是任何类型：如人、风、波浪、交通、地震和爆炸等。任何结构都会经受动态载荷。动力学分析用于获取动态位移，时域数据，并进行模态分析。为了解结构动力学现象，振动测试必不可少，这需要适当的测量技术。由于动态载荷会激起设备或结构振动，而在大多情况下会导致不利后果：例如早期疲劳，噪音过大，环境不适，控制困难，加速磨损，性能降低，质量感知差等。德国Polytec公司提供一系列光学非接触式振动测量系统，在多数情况下，这些系统是研究结构动力学现象的理想解决方案。Polytec的非接触式超远距离激光测振仪对于土木工程应用具有巨大价值，它能在300米外获取低频振动和高精度位移，精度高达微米级。整套系统采用非接触式测量方法，安装简单快捷，无需在结构上进行安装和布线等操作，省时省力，避免不必要的困难且危险。与其它类型的桥梁相比，斜拉索桥具有许多显著优势。它们大受欢迎的原因主要包含两点：经济高效、美观实用。斜拉索是固定桥面位置的主要结构元素，然而在大多数情况下，人们忽视了对其进行彻底检测。当斜拉索的全部或部分结构受到腐蚀、滑移或下沉时，可能会导致荷载不平衡，从而降低桥梁的使用寿命。其它事件如撞击、火灾或地震都会对斜拉索的受力分布产生重大影响，从而影响斜拉索的寿命周期。Polytec与MetroTesting通力合作，使用非接触式激光振动测试系统为桥梁工程公司提供振动分析服务，获取每一根斜拉索的张力数据。根据激光测振系统给出的振动测试数据，可以快速计算出线缆张力，工作量极少，但精度极高！我们采用的是非接触式和非入侵式测试方法，无需将测试仪器附加到拉索上，甚至无需直接接触被测拉索。如下图所示，将激光测振仪置于桥面上，对准拉索的三分之一处。仪器发射出一束激光后，同时收集从目标位置反射回来的激光，并与仪器的参考光信号进行对比，根据激光多普勒原理，通过两束激光的多普勒频移可以测出目标位置的微弱振动。这种测试方法对于获取难以接近的或危险区域的目标位置的振动速度或位移，具有绝对优势。由于无需在桥面上安装特殊装置，因此测量快速高效，每根拉索的测试时间控制在6分钟以内。因此，在天气良好的情况下，使用这种测试方法可以在一个小时内完成10根拉索的测量。桥梁工程公司可以将获取到所有拉索张力的全部数据用于评估桥梁结构性能。RSV-150参与了加拿大DehCho桥的建设位于加拿大北部地区普罗维登斯堡附近的DehCho桥上安装的是封闭式钢缆，我们在大桥施工过程中对钢缆进行了测试。测试获取的振动数据及由此计算出的张力为桥梁工程师和安装工程公司提供了重要信息，并为桥梁的最终完工提供了理论依据。我们在现场，4天内完成全部24根钢缆的测量。本次测试难点在于确定将测试设备置于临时桥面上的哪个位置，以及将测试设备从一个测试位置移到另一个测试位置。采用了两种不同的激励方式来确定钢索的固有频率和张力。这种非接触振动测量方法得到了研究界的广泛认可，其结果通常与传统的如加速度计等测试方法获取的结果相一致。除采用非接触式测量方法这一优点外，我们也不需要在斜拉索上安装设备来测量斜拉索的三分之一或中点。激光束在视觉上大致垂直于被测点是这种多普勒激光测振技术的全部要求，它快速、简单，并极准确地输出测量结果。传统测试方法包括拉索吊装或盘绞，在某些情况下，由于受场地限制，千斤顶等设备无法在桥面上接近拉索。在大多数情况下，千斤顶的设备成本以及由此产生的人力、物流等成本实际超过了投资激光测振仪的设备成本。Polytec和MetroTesting实验室通力协作，MetroTesting拥有多年的结构数据分析经验，可根据振动数据来计算出拉力。结合Polytec的非接触式超远距离振动测量系统，快速地获取精确的结果。
01抗震建筑在维也纳，建于1850年至1914年间(繁荣时期)的建筑物引起了人们的重视。自引入欧洲规范8标准(2009年)以来，这些具有历史价值的建筑受到威胁，因为该标准要求证明这些建筑物在结构措施中有抗震能力。规定的检测方法不适合这种具有高动态过程的建模，并且容易造成不良后果。因此，1970年以前建造的房屋很可能无法通过地震安全检测。SEISMID课题组研究了一系列繁荣时期建筑物在地震中的动力学特性。该项目包括对砖块和灰浆建筑分析，以及有限元模型的建立与修正。比较特殊的是本次课题加入了BRIMOS-wireless和Polytec公司的PSV-400扫描式激光测振仪，为建筑物的修缮措施提供测量技术。PSV-400测量系统的加入产生了显著的附加价值，测试结束后几秒钟，就能展现出修缮措施对结构的影响，令人印象深刻。02试验搭建被选中翻新的这座特殊建筑位于Fendigasse(维也纳第五市辖区)。这个项目为我们提供了这样一个机会：研究该建筑物在改造和升级过程中的各个阶段状况。尤其关注的是内墙和木制天花板，以及整个结构的动态表现。在扫描式激光测振仪的帮助下，可以对结构的速度场进行确定、可视化和分析。测点必须可见，而且须在扫描头的扫描角度范围内。为了将一系列测量结果相互关联，需要在建筑物的具有代表性的固定的点上安装一个传感器作为参考信号。我们分别在环境激励下，及项目合作伙伴共同开发的特殊激振器下(“HUBERT”，如图1所示)进行测试。图1：激振器"HUBERT"图2：PSV-400扫描式激光测振仪的扫描头图3：试验搭建布局图3为测量整个建筑物的试验搭建布局。激振器位于4楼和5楼，工作频率为4.75Hz和11.75Hz。为了不影响道路交通和行人，我们将PSV-400扫描头置于在人行道边缘(如图2所示)。03补救措施及影响在修复过程中，监测了以下修缮措施(1-7)。图4和图5显示了给定状态下振型，在激励频率为4.75Hz和11.75Hz时振型最大。1.未经改变的原始状态：此次测试作为参考，由此定量评估所有修缮措施。2.房顶横梁是通过螺纹杆与外墙固定，这样，房顶和墙壁之间构建直接关联。之前，人们会将房顶设想成一个圆盘对激励做出响应，不受外墙影响。测量结果也证实了这一点。3.梁木通过螺纹杆与相邻隔墙固定，这导致相邻房间的房顶直接相连。4.定向结构板通过螺丝固定到房顶上(从上面或从下面)，这一措施增加了房顶的抗剪刚度。5.将混凝土板置于阁楼上。这步操作之后，由于建筑物上半部分重量的增加，我们可以观察到在12Hz范围内建筑物的最大振动速度略有降低。反过来，建筑物对局部均匀激励做出响应。6.引入防火墙是为了将火从地下室的墙壁引到混凝土板屋顶，该措施对建筑物的振动速度响应有很大影响。7.最终状态：混凝土和钢质结构完工，加固3楼和4楼的窗。通过对测量结果进行分析，进一步降低建筑物振动速度。图4：建筑物在4.75Hz时的振动模态。施加不同加固措施(1-7)后进行激励。图5：建筑物受到激励后在11.75Hz时的振动模态结论测试完毕后几秒钟即可生动地显示出建筑物结构变化带来的影响，PSV扫描式激光测振仪的测量结果为量化历史建筑物和房屋补救措施提供重要价值。修缮完毕后，建筑物正面的测量结果非常理想。通过多项措施将振动能量部分重新分配到建筑物的多个部分。然而，只有在同时制定所有措施的情况下，才能达到最佳效果。综上所述，通过振动测量来显著改善建筑物的抗震性能相对容易，成本较低。
