陳雋 韓紫平 JamesBrownjohn

摘要： 已建結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試是了解其實(shí)際動(dòng)力性能、提升建模和計(jì)算分析精度、檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷情況的重要手段。提出了Human Shaker（HS）的方法，利用人的行走、跳躍和擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的激振，由智能可穿戴設(shè)備得到激振荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并由此識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。首先建立了由特征點(diǎn)加速度重構(gòu)人致激振荷載的方法，以及利用可穿戴設(shè)備的HS應(yīng)用步驟，進(jìn)而以橫向擺動(dòng)為例通過實(shí)驗(yàn)確定了特征點(diǎn)位置及其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參與修正系數(shù)。最后將HS技術(shù)應(yīng)用于某實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試和模態(tài)參數(shù)識(shí)別，結(jié)果表明，HS技術(shù)可以方便快捷地用于中小型結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試。

關(guān)鍵詞： 人致激振; 結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試; 智能可穿戴設(shè)備; 側(cè)向加速度; 地反力

中圖分類號(hào)： TU311.3; TU317+.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1004-4523（2019）04-0644-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.011

1 概 述

利用環(huán)境振動(dòng)或動(dòng)力設(shè)備激勵(lì)開展工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試，獲得其自振頻率、阻尼比、振型及模態(tài)質(zhì)量等參數(shù)，對(duì)于了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力性能、提升數(shù)值建模和計(jì)算分析精度、檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷情況等，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-5]。結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試一般利用環(huán)境激勵(lì)或激振裝置引起結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，由輸入和輸出信息通過系統(tǒng)識(shí)別、信號(hào)處理等技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)及響應(yīng)幅值[6-7]。其中，環(huán)境激勵(lì)法簡(jiǎn)單方便[8]，但由于需要引入外激勵(lì)是白噪聲過程這一假定，測(cè)試精度總體較低，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)阻尼以及高階模態(tài)[9]，無法給出結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量這一對(duì)于結(jié)構(gòu)分析與振動(dòng)控制都非常重要的參數(shù)。采用激振器等裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)試，精度高且測(cè)試范圍廣，然而由于激振設(shè)備的安裝調(diào)試過程復(fù)雜、低頻激振困難、價(jià)格昂貴等因素，測(cè)試成本較高，主要用于大型工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試。對(duì)于量大面廣的中小型建筑以及一些重要的局部構(gòu)件（子結(jié)構(gòu)）的測(cè)試，缺乏高效便捷的動(dòng)力測(cè)試方法。總體上，工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試研究存在重大型輕小型、重整體輕局部、重算法輕設(shè)備的問題。

利用人體運(yùn)動(dòng)作為激勵(lì)源的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)/測(cè)試方法由來已久[10]，例如采用落踵沖擊進(jìn)行結(jié)構(gòu)的單點(diǎn)脈沖激勵(lì)測(cè)試[11]（如圖1所示），該方法已被廣泛使用超過30年[11-14]，并被一些規(guī)范推薦為結(jié)構(gòu)驗(yàn)收測(cè)試方法[15-16]。此外，周緒紅等[17]利用步行、落踵沖擊等方法對(duì)不同支撐條件的組合樓板自振頻率進(jìn)行了測(cè)試，與傳統(tǒng)方式的對(duì)比結(jié)果顯示了人致激勵(lì)方法有較高的可信度。Brownjohn等[10]利用人體的擺動(dòng)、跳躍和步行對(duì)英國(guó)的四座人行橋進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)激振測(cè)試，結(jié)構(gòu)模態(tài)質(zhì)量的實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元分析值的誤差小于15%，也說明了周期性人致激振用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試的可行性。

毫無疑問，人是迄今最智能的動(dòng)力系統(tǒng)，綜合集成了能量供應(yīng)系統(tǒng)、最先進(jìn)的光學(xué)、聲學(xué)感知和傳感系統(tǒng)，以及具有超強(qiáng)并行計(jì)算能力的控制系統(tǒng)，可以輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的低頻（0.25-5.0 Hz）激振，是一種理想的激振“裝置”。利用人的運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振理論上擁有比環(huán)境激勵(lì)法更好的識(shí)別效果，特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)阻尼和振型質(zhì)量的識(shí)別，可形象地稱為Human Shaker（以下簡(jiǎn)稱HS）測(cè)試方法。采用HS進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試，需要解決如下兩個(gè)關(guān)鍵問題，才能擺脫HS目前主要作為瞬時(shí)沖擊“質(zhì)量塊”的簡(jiǎn)單使用模式：（1）HS激勵(lì)荷載，即輸入信息的精準(zhǔn)測(cè)量;（2）結(jié)構(gòu)響應(yīng)，即輸出信息的同步測(cè)量。

近年來，隨著硬件技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，各種智能攜帶/可穿戴設(shè)備（如智能手機(jī)、手表及手環(huán)等）的綜合測(cè)試功能日益強(qiáng)大，正在以前所未有的廣度和深度影響和改變著科學(xué)研究的方式。智能設(shè)備中內(nèi)置的三軸加速度傳感器、陀螺儀傳感器等，可記錄設(shè)備的加速度及其方向，已應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試[18]，同時(shí)也為解決HS面臨的上述技術(shù)難題帶來了全新的思路和途徑?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，本文研究利用智能可穿戴設(shè)備的HS結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試方案與實(shí)現(xiàn)步驟，旨在為各類中小型結(jié)構(gòu)及大型結(jié)構(gòu)局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的快速動(dòng)力測(cè)試提供一種便捷高效的方法。

2 利用智能可穿戴設(shè)備的HS方案

人可以通過步行（walking）、跳躍（jumping）、跑動(dòng)（running）、屈伸（bouncing）、擺動(dòng)（swaying）等多種運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)縱向、橫向等不同方向（如圖2所示）的動(dòng)力激勵(lì)，引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[19]。與傳統(tǒng)激振設(shè)備相比，HS具有自帶能源、移動(dòng)與布置方便、智能、靈活、無需安裝等明顯優(yōu)勢(shì)。由于人體自身生理特征、動(dòng)力參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)形式的不確定性，采用HS方法的核心困難在于如何直接、準(zhǔn)確地獲得人體對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)際施加的激振荷載。

由此，HS的具體實(shí)施方案包含以下核心步驟：（1）對(duì)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試時(shí)，利用智能可穿戴設(shè)備獲得人體運(yùn)動(dòng)時(shí)特征點(diǎn)處的加速度時(shí)程;（2）同步記錄結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng);（3）由式（2）重構(gòu)人致激勵(lì)時(shí)程;（4）根據(jù)輸入荷載和輸出響應(yīng)，利用系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征參數(shù)。依照上述方案，一般測(cè)試需求下，一位測(cè)試者攜帶兩個(gè)可穿戴設(shè)備（分別用于測(cè)量HS的加速度和結(jié)構(gòu)響應(yīng)），即可實(shí)現(xiàn)一般結(jié)構(gòu)的動(dòng)力測(cè)試工作。

3 HS特征點(diǎn)選取與激勵(lì)重構(gòu)

由于不同人、不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的特征點(diǎn)位置以及對(duì)應(yīng)的R值不同，利用公式（2）進(jìn)行激振力重構(gòu)時(shí)應(yīng)首先選定合適的可穿戴設(shè)備，并由試驗(yàn)確定不同運(yùn)動(dòng)的特征點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的R值。這一試驗(yàn)過程可以稱為HS性能的標(biāo)定，本質(zhì)上與傳統(tǒng)儀器的性能標(biāo)定概念類似。本研究以常用且幅值較小的人體橫向搖擺激勵(lì)（沿圖2中冠狀面內(nèi)的橫軸向運(yùn)動(dòng)，以下稱為擺動(dòng)）為代表，研究典型HS的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定過程。

3.1 可穿戴設(shè)備的選型

研究中分別試用了不同品牌的智能手機(jī)[22]以及不同類型的可穿戴慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit， IMU）等智能電子設(shè)備。通過比較它們之間的加速度測(cè)試精度與范圍、設(shè)備攜帶/安裝方式、數(shù)據(jù)傳輸方式以及多設(shè)備間的同步性能等指標(biāo)，最終選用APDM公司開發(fā)的Opal慣性傳感器[23-25]，其性能參數(shù)如表1所示。該無線傳感器具有3軸加速度、轉(zhuǎn)角和磁力方向的記錄功能，同時(shí)可利用同步器實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器之間的精準(zhǔn)時(shí)間同步。

3.2 人體擺動(dòng)側(cè)向荷載標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

對(duì)于激發(fā)結(jié)構(gòu)的側(cè)向振動(dòng)，擺動(dòng)激勵(lì)非常有效，對(duì)其荷載效應(yīng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在上海某醫(yī)院的人體步態(tài)實(shí)驗(yàn)室展開，共3位不同年齡段的健康成年男性測(cè)試者A，B和C參加。每位測(cè)試者在三向測(cè)力板上做擺動(dòng)動(dòng)作（如圖3所示），測(cè)力板可準(zhǔn)確測(cè)量和記錄擺動(dòng)所引起的三向地反力。在每位測(cè)試者的額頭、C7頸椎、胸骨中段、肚臍、下背部和右腳腳面等6處布置了Opal可穿戴傳感器（如圖3所示）。

人體的擺動(dòng)動(dòng)作表現(xiàn)為雙腳依次支撐和懸空，頻率較低時(shí)存在雙腳同時(shí)接觸地面的時(shí)段，頻率較高時(shí)則表現(xiàn)為始終只有不超過一只腳與地面接觸。為確定不同擺動(dòng)頻率下人體加速與側(cè)向地反力的關(guān)系，以及不同實(shí)驗(yàn)人員對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了擺動(dòng)頻率0.25-2.0 Hz的多組運(yùn)動(dòng)工況的實(shí)驗(yàn)，各工況中所測(cè)得側(cè)向地反力的最大值和均方根值（Root Mean Square， RMS）隨頻率的變化情況如圖4所示。Opal所記錄的各特征點(diǎn)處的加速度峰值和RMS值如圖5和6所示。

由圖4可見，隨著運(yùn)動(dòng)頻率的增加，側(cè)向激振力呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，其原因在于人體進(jìn)行高頻變向運(yùn)動(dòng)時(shí)需要更大的側(cè)向地反力。然而隨著人體左右擺動(dòng)頻率的增加，人體的運(yùn)動(dòng)幅度明顯減小，體現(xiàn)在加速度峰值（如圖5所示）和其RMS值（如圖6所示）均沒有明顯的隨頻率增長(zhǎng)的趨勢(shì)。上述結(jié)果表明，確定擺動(dòng)激勵(lì)的R值時(shí)需要考慮擺動(dòng)頻率的影響。

3.3 最佳特征點(diǎn)與R值的確定

圖8顯示，測(cè)試者的質(zhì)量參與系數(shù)R隨擺動(dòng)頻率有較為明顯的變化。不同于單剛體的理想假定，現(xiàn)實(shí)中的人體是由骨骼、肌肉、脂肪、內(nèi)臟、皮膚等多組織與器官共同構(gòu)成的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下可以完成多自由度的復(fù)雜動(dòng)作。即使是同一測(cè)試者單方向的搖擺動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)模式也會(huì)隨頻率改變出現(xiàn)較為明顯的變化，測(cè)試者所調(diào)動(dòng)的參與擺動(dòng)的質(zhì)量比（即質(zhì)量參與系數(shù)R）也因而隨之變化。

由圖8可見，隨著運(yùn)動(dòng)頻率的加快，R值均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。對(duì)比圖4-6的側(cè)向地反力與特征點(diǎn)加速度測(cè)量結(jié)果以及對(duì)實(shí)驗(yàn)人員運(yùn)動(dòng)情況的觀察，隨著“激振頻率”的增加，為了適應(yīng)快速變向的節(jié)奏，Human Shaker的“輸出功率”整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，人體更多的質(zhì)量參與到了擺動(dòng)中。隨著頻率接近2 Hz，在人體特征點(diǎn)加速度基本保持恒定的情況下，R值曲線增幅變緩，側(cè)向地反力則呈現(xiàn)平緩甚至下降趨勢(shì)，這是受到人體自身運(yùn)動(dòng)能力限制導(dǎo)致的，為了達(dá)到更好的人致激振效果，人體的擺動(dòng)激振時(shí)的頻率應(yīng)盡量控制在1.0-2.0 Hz左右，此范圍亦是傳統(tǒng)的激振裝置較難達(dá)到較好的工作效果的頻率范圍。

對(duì)比圖8可見，C7頸椎、胸骨中段和額頭三處特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的R值有較好的規(guī)律性和穩(wěn)定性，主要原因是這些特征點(diǎn)靠近人體中軸線且骨骼外附著的肌肉、脂肪等組織比較少。C7椎由于與人體實(shí)際質(zhì)心均位于人體中軸線上，測(cè)量結(jié)果較為穩(wěn)定，其棘突明顯，是臨床上常用的定位標(biāo)志，能較好地減小每次測(cè)試時(shí)傳感器安裝位置的偏差。事實(shí)上，采用跳躍或屈伸等運(yùn)動(dòng)方式對(duì)結(jié)構(gòu)（如樓板）進(jìn)行激振時(shí)，C7椎也常常被選為特征點(diǎn)[19]，為此推薦使用該點(diǎn)作為HS側(cè)向擺動(dòng)加速度的測(cè)量。

此外，相同頻率下不同測(cè)試者的R值存在一定的差異，即不同的HS具有不同的激勵(lì)特性。在缺乏足夠多的實(shí)驗(yàn)人員建立完善數(shù)據(jù)庫(kù)的情況下，宜分別對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)人員的人致激振“參數(shù)”進(jìn)行事先標(biāo)定，以確保側(cè)向地反力重構(gòu)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 人致激振動(dòng)力測(cè)試應(yīng)用實(shí)例〖*2〗4.1 待測(cè)結(jié)構(gòu)特性 ?為驗(yàn)證HS測(cè)試的效果，對(duì)某大學(xué)校園內(nèi)一棟辦公樓進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該建筑為夾角18°的兩棟鋼框架單體結(jié)構(gòu)用三層連廊連接成的整體。本文所測(cè)I號(hào)單體共9層，結(jié)構(gòu)主體長(zhǎng)67 m、寬16 m、檐口標(biāo)高32.875 m，地下1層，地上8層，層高3.6 m。兩單體地下部分均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上部分均為鋼框架結(jié)構(gòu)。樓面體系采用壓型鋼板-鋼筋混凝土組合樓板，板厚135 mm。基礎(chǔ)采用預(yù)制鋼筋混凝土管樁，兩個(gè)單體基礎(chǔ)相互獨(dú)立。兩單體的5-7層的端部架設(shè)架空連廊，連廊寬4.45 m，凈跨18.9 m[26]。其平面布置及PKPM計(jì)算模型見下圖9和10所示。

在本測(cè)試中，主要關(guān)注結(jié)構(gòu)沿縱向水平振動(dòng)的一階參與質(zhì)量。軟件計(jì)算結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)y方向一階主頻為1.028 Hz，對(duì)應(yīng)的有效質(zhì)量系數(shù)（振型參與質(zhì)量與總質(zhì)量之比）為69.77%。由施工量統(tǒng)計(jì)所得結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為6585.44 t，故該階振型的參與質(zhì)量為4594.66 t。

4.2 HS激振與測(cè)試過程

在HS動(dòng)力測(cè)試過程中，前述標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試者A和B，通過在8樓走廊中部的橫向擺動(dòng)對(duì)該建筑進(jìn)行激振（如圖11所示），測(cè)試流程如下：

（1）采用脈動(dòng)法由可穿戴裝置或其他加速度傳感器獲得結(jié)構(gòu)的橫向一階振動(dòng)頻率fL;

（2）已完成標(biāo)定的HS按照fL對(duì)建筑進(jìn)行擺動(dòng)激振，直至結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振動(dòng);

（3）在測(cè)試者的特征點(diǎn)（本例中為C7頸椎）及測(cè)試結(jié)構(gòu)上固定已同步的可穿戴裝置，同步記錄HS的加速度和結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng);

（4）HS停止擺動(dòng)后繼續(xù)記錄結(jié)構(gòu)的自由衰減響應(yīng)。

測(cè)試中選用了兩個(gè)Opal傳感器分別測(cè)量測(cè)試者C7點(diǎn)的加速度和結(jié)構(gòu)側(cè)向加速度響應(yīng)，同時(shí)使用高靈敏度的低頻加速度傳感器（Lance-0132T）對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量。

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)頻率和阻尼

脈動(dòng)法實(shí)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)橫向基頻為1.625 Hz，將其定為測(cè)試者擺動(dòng)的頻率，利用節(jié)拍器引導(dǎo)。該基頻與理論分析的1.028 Hz有較大差距，但與文獻(xiàn)[28]中的實(shí)測(cè)結(jié)果1.66 Hz較為接近，說明其具有較高的可信度，經(jīng)分析這是由于根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)未考慮連廊、樓板、以及后加的阻尼器影響導(dǎo)致的?？梢娫诠こ虒?shí)踐中，建筑結(jié)構(gòu)建成后的實(shí)際自振頻率往往會(huì)與設(shè)計(jì)階段的有限元分析結(jié)果有較大差別，這些差別一般不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成影響，但卻可能引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度問題，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置失效[29]。本例再次表明，即使對(duì)于中低層建筑，開展結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試對(duì)有限元模型的修正和結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制均有實(shí)際意義。

在測(cè)定結(jié)構(gòu)基頻后，實(shí)驗(yàn)人員A，B在節(jié)拍器的引導(dǎo)下，按照此頻率分別各自獨(dú)立及協(xié)同地進(jìn)行擺動(dòng)激振，實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程如圖12所示。

實(shí)測(cè)響應(yīng)時(shí)程清晰地顯示，只需很小質(zhì)量的HS（約90 kg，為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的0.0014%）就能明顯激發(fā)結(jié)構(gòu)的共振響應(yīng)，兩位測(cè)試者共同激勵(lì)時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值則高達(dá)3 mm/s2。對(duì)于如此小的人與結(jié)構(gòu)質(zhì)量比，通常認(rèn)為此時(shí)人與結(jié)構(gòu)的相互作用可以忽略[30-32]，可認(rèn)為公式（2）在運(yùn)動(dòng)的樓面和實(shí)驗(yàn)室的靜止地面上均可適用且有相同的參數(shù)。

利用上圖中時(shí)程后半段的結(jié)構(gòu)自由衰減響應(yīng)，采用指數(shù)衰減法估算結(jié)構(gòu)的阻尼比[33] δ=lnAiAi+1=πξ1-ξ2

（7）式中 δ為對(duì)數(shù)衰減率，Ai和Ai+1為加速度響應(yīng)衰減段相鄰兩個(gè)正波峰的峰值，ξ為結(jié)構(gòu)阻尼比。 ?計(jì)算得結(jié)構(gòu)該階模態(tài)的阻尼比為2.58%，與文獻(xiàn)[28]中的測(cè)試值3.18%接近。

4.4 結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量識(shí)別與分析

由測(cè)試者A的標(biāo)定結(jié)果（如圖8所示）線性插值，可得對(duì)應(yīng)激勵(lì)頻率1.625 Hz的R=0.727。同時(shí)，Opal記錄到的激振過程中C7點(diǎn)的加速度時(shí)程如圖13所示。將以上數(shù)據(jù)代入公式（2）則可重構(gòu)出HS的激振力時(shí)程。

為識(shí)別結(jié)構(gòu)本階振型的參與質(zhì)量，可假定結(jié)構(gòu)為單模態(tài)控制的單自由度體系，利用已識(shí)別的自振頻率、阻尼比和外荷載，通過不斷地調(diào)整假定的結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行時(shí)程分析，模擬加速度響應(yīng)與實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的RMS值最接近時(shí)所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量則為所求結(jié)構(gòu)該階模態(tài)的參與質(zhì)量。

模擬過程如下圖14所示。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)橫向一階振動(dòng)對(duì)應(yīng)的振型參與質(zhì)量約為4530 t，與該樓理論分析結(jié)果4594.66 t誤差僅為1.41%，證明利用HS進(jìn)行結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量估算有較高的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 論

5.1 小 結(jié) ?本研究提出了將人致荷載從“防”到“用”的Human Shaker（HS）測(cè)試新方法，并且以側(cè)向擺動(dòng)荷載為對(duì)象，開展了HS的實(shí)施步驟、荷載重構(gòu)和實(shí)例應(yīng)用的研究，得到如下結(jié)論：

（1）人體單剛體模型對(duì)于擺動(dòng)的側(cè)向地反力重構(gòu)有較好的效果，但不同實(shí)驗(yàn)人員的質(zhì)量參與系數(shù)略有差別，實(shí)際應(yīng)用HS時(shí)建議對(duì)固定測(cè)試人員進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定。本研究中標(biāo)定的R值（對(duì)應(yīng)0.25-2.0 Hz范圍）可供參考;

（2）對(duì)于擺動(dòng)激勵(lì)，在人體額頭、C7頸椎、胸骨中點(diǎn)、肚臍、下背部、腳面等特征點(diǎn)中，額頭、C7頸椎和胸骨處測(cè)得的加速度的地反力重構(gòu)效果較好，結(jié)合工程實(shí)際及豎向激振需求，建議將智能可攜帶設(shè)備固定在C7頸椎處進(jìn)行加速度測(cè)量;

（3）對(duì)一棟典型辦公樓的HS激振實(shí)測(cè)和參數(shù)識(shí)別結(jié)果表明，合適頻率的人致荷載對(duì)結(jié)構(gòu)有較好的激振效果，所測(cè)得的結(jié)構(gòu)頻率、阻尼比與傳統(tǒng)方法的測(cè)試值較為接近，振型參與質(zhì)量測(cè)試值與有限元模型近似，且測(cè)試過程簡(jiǎn)便易重復(fù)。

5.2 討 論

研究和應(yīng)用過程表明，結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力特性與設(shè)計(jì)階段的理論分析結(jié)果可能存在較大差別，往往需要在完工后進(jìn)行動(dòng)力特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試方法相比，利用可穿戴傳感器的HS測(cè)試方法具有無需繁雜沉重的設(shè)備、不影響原有結(jié)構(gòu)布置、測(cè)試過程方便快捷、可重復(fù)性強(qiáng)、適合低頻或柔性結(jié)構(gòu)的測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，HS方法目前還有如下的一些局限性：運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)與可攜帶傳感器安裝方便性之間存在一定的矛盾，理論上最佳特征點(diǎn)應(yīng)為人體的質(zhì)心;動(dòng)力測(cè)試精度取決于質(zhì)量參與系數(shù)的標(biāo)定效果，對(duì)于重要建筑可采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的方式;出于特征共振（或倍頻共振）的要求，HS一般只能適用于特定某一階振動(dòng)的激振情況。

總體來說，利用可穿戴傳感器的HS方法非常適合于中小型結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件動(dòng)力的快速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，配合相關(guān)移動(dòng)設(shè)備端的分析軟件開發(fā)，則可實(shí)現(xiàn)由一般工程技術(shù)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)的快速動(dòng)力檢測(cè)。

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Abstract： Dynamic test of as-built civil structures is a common practice to learn the dynamic properties of real structures， to improve the accuracy of prediction methods and to update the analysis models adopted at the design stage. Large， cumbersome and power-needed mechanical shakers are generally necessary in the test to dynamically excite a structure. This test methodology， however， may not be tenable for low-rise， medium and small size buildings due to various reasons such as budget， limited installation space and power supply issue. In this study， a Human Shaker（HS） method is proposed to excite the structure by human walking， jumping and swinging motions. The excitation load and structural response are obtained from the intelligent wearable equipment and， the modal parameters of the structure are identified accordingly. A method for reconstructing the human-induced excitation load from the acceleration of characteristic points is established. Using HS application steps of wearable equipment and taking lateral swing as an example， the position of feature points and their corresponding mass participation correction coefficients are determined by experiments. HS technology is applied to the dynamic test and modal parameter identification of a practical structure. The result shows that HS technology can be used to the modal test of small and medium-sized structures conveniently and quickly.

Key words： human shaker; structural modal testing; wearable sensors; lateral acceleration; ground reaction force

作者簡(jiǎn)介： 陳 雋（1972-），男，博士，教授。電話：（021）65985270;E-mail： cejchen@#edu.cn