從理論、應(yīng)用到實(shí)例，多維度講解房屋結(jié)構(gòu)動力檢測技術(shù)的應(yīng)用及未來發(fā)展。

概念及原理

對房屋開展動力測試,利用結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)識別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù),由模態(tài)參數(shù)的性狀判定結(jié)構(gòu)質(zhì)量,即為結(jié)構(gòu)動力檢測。結(jié)構(gòu)動力檢測的基本問題是依據(jù)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),測得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù),然后識別結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)。 

建筑物的動力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的固有頻率(周期)、振型和阻尼比等。建筑物一旦出現(xiàn)損傷或其它質(zhì)量問題,這些參數(shù)也隨之發(fā)生改變。因此,結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的改變可以視為結(jié)構(gòu)質(zhì)量發(fā)生變化的標(biāo)志。 

當(dāng)前,結(jié)構(gòu)動力檢測被普遍認(rèn)為是一種很前途的檢測方法,它是結(jié)合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試、信號采集與分析等多學(xué)科的一門測試技術(shù),它的出現(xiàn)能較好彌補(bǔ)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法存在的諸多缺陷和不足。特別是近年來,隨著能夠滿足結(jié)構(gòu)檢測要求的強(qiáng)大試驗(yàn)和分析處理工具的出現(xiàn),高效模塊化、數(shù)字化的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)量測技術(shù)已為結(jié)構(gòu)動力檢測的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的支持,使得結(jié)構(gòu)動力檢測技術(shù)已走向成熟,在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨廣泛,不但是大學(xué)、科研機(jī)構(gòu),而且許多工程質(zhì)量檢測單位也已逐步開始使用。 

結(jié)構(gòu)動力檢測方法優(yōu)點(diǎn)很多,如該方法可以不受結(jié)構(gòu)規(guī)模、復(fù)雜性及隱蔽性的限制,只要在可達(dá)到的結(jié)構(gòu)位置安裝動力響應(yīng)傳感器即可。另外,結(jié)構(gòu)動力檢測屬于結(jié)構(gòu)無損檢測范疇,對一些已建成投入使用,而不便采取破損檢測手段的工程結(jié)構(gòu)特別適用,滿足人們需求標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的需求。      

工程應(yīng)用及意義

雖然結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比都可以通過理論計(jì)算求得,但通過測試得到的動力特性仍然具有重要意義。如果已經(jīng)有了結(jié)構(gòu)的實(shí)物或設(shè)計(jì)圖紙,并掌握所有材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù),那么原則上可以用有限元分析等數(shù)值計(jì)算方法求出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

然而由于諸方面的原因,例如:非線性因素,材料的不均勻性,阻尼機(jī)理的復(fù)雜性,再加上構(gòu)件與構(gòu)件、整機(jī)與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與地基的聯(lián)結(jié)剛度難以確定等等,使有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性(甚至于可能性)受到限制。利用現(xiàn)場實(shí)測得到的結(jié)構(gòu)動力特性是建筑物建成后的實(shí)際動力特性,因此是準(zhǔn)確可靠的。

建筑物建成以后完好狀態(tài)下量測得到的結(jié)構(gòu)動力特性數(shù)據(jù),可作為基本技術(shù)檔案保存。建筑物一旦遭受地震等自然災(zāi)害或使用了一定的年限以后,再進(jìn)行測量,可以從中獲得寶貴的對比資料。

比如,房屋結(jié)構(gòu)破壞開裂后或結(jié)構(gòu)內(nèi)部有質(zhì)量問題時,結(jié)構(gòu)的自振周期會加長,振型會改變等,從結(jié)構(gòu)的自身固有特性的變化可以識別建筑物的損傷,為房屋安全鑒定提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)然,動力特性實(shí)測作為安全鑒定的一個手段,還要與其他鑒定方法一起工作,全面分析,綜合評定,才能得到滿意的結(jié)果,增加判定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,提高房屋安全鑒定技術(shù)水平。

如若沒有房屋建成以后完好狀態(tài)下的動力特性數(shù)據(jù),我們可以根據(jù)測量大量相同類型房屋的情況,歸納實(shí)測經(jīng)驗(yàn)公式,通過實(shí)測與經(jīng)驗(yàn)公式(實(shí)測或規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式)取值的對比,同樣可以從某個范圍上較好評價房屋的安全性。因?yàn)檫@方面尚缺少國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),致使該檢測方法的應(yīng)用受到一定的限制,但是動力檢測還是能彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測很多方面的不足,在實(shí)際的工程應(yīng)用中也得到了很好的效果。 

工程應(yīng)用實(shí)例 

工程概況

某工廠一期主廠房共有7層,建于1986年,建筑面積約11475m2,建筑高度約38.6m,結(jié)構(gòu)平面呈矩形,總長度105米,總跨度18米,縱向柱間距7.5米,橫向柱間距9米。廠房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),樓屋面板均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。 

因該工廠二期擴(kuò)建工程的需要,需對標(biāo)高28.800m第①至第③軸的局部樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。為了確認(rèn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是否安全,現(xiàn)對該工廠一期主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行房屋安全鑒定,并提出處理建議。 

檢測鑒定內(nèi)容及結(jié)果

01 房屋現(xiàn)場查勘

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,并與原設(shè)計(jì)圖紙核對,該結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)布置情況基本與原施工圖一致,構(gòu)件尺寸偏差最大值為+20mm,-4mm,除個別截面尺寸(梁高)偏大較多外,其它構(gòu)件截面尺寸符合現(xiàn)行規(guī)范要求。 

通過現(xiàn)場勘察,發(fā)現(xiàn)北立面沉降縫處墻面開裂嚴(yán)重,這一現(xiàn)象可能與沉降縫處理不當(dāng)有關(guān)。房屋主體結(jié)構(gòu)的沉降狀況良好,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的不均勻沉降、傾斜和開裂,所以判定該廠房地基基礎(chǔ)無嚴(yán)重靜載缺陷。結(jié)構(gòu)內(nèi)部也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫或較大的撓度等影響結(jié)構(gòu)安全使用的狀況。該結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量總體較好,未發(fā)現(xiàn)構(gòu)件露筋、蜂窩等施工質(zhì)量問題。 

02 傾斜測量

在現(xiàn)場使用全站儀對該房屋的整體傾斜程度進(jìn)行了觀測,傾斜率最大值為0.039%,此時側(cè)向位移量為15mm。根據(jù)國家危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)第4.2.3條、4.5.4條,房屋的整體傾斜率極值是1%,并且其側(cè)向位移量不宜大于房屋高度的1/500;實(shí)測結(jié)果均小于規(guī)范規(guī)定框架結(jié)構(gòu)整體傾斜率和側(cè)向位移的控制值。

03 結(jié)構(gòu)材料檢測

為了評定現(xiàn)有混凝土強(qiáng)度,檢測人員現(xiàn)場采用回彈法抽檢了框架梁、柱的混凝土強(qiáng)度,并用鉆芯法進(jìn)行修正。該結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)混凝土構(gòu)件的標(biāo)號為300號,回彈結(jié)果表明部分測點(diǎn)的混凝土強(qiáng)度未達(dá)到原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度值,但這些測點(diǎn)的混凝土碳化深度較深。再結(jié)合鉆芯取樣檢測的混凝土強(qiáng)度,認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度基本達(dá)到原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度。 

04 結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

該結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu),抗震等級為二級,根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查情況,認(rèn)為其構(gòu)造措施基本能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。 

05 結(jié)構(gòu)動力檢測

為了提高傳統(tǒng)檢測鑒定方法的準(zhǔn)確程度,做到全面評定房屋的安全狀況,為此開展動力檢測。采用脈動法對一期主廠房在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行動力測試,測試設(shè)備采用由同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院研制的SVSA振動信號采集分析儀,傳感器采用LC0132T內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器。測試分為三個工況,第一工況是南北向平移振動信號測試,第二工況為東西向平移振動信號測試,第三工況為樓板豎向振動信號測試。信號數(shù)據(jù)處理由采集系統(tǒng)配套軟件依靠計(jì)算機(jī)完成。 

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式,可以算得結(jié)構(gòu)的第1自振頻率為1.814Hz,根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式,可以算得結(jié)構(gòu)第1自振頻率范圍1.786~2.381Hz。

由測試結(jié)果可以看出,實(shí)測頻率值大于經(jīng)驗(yàn)公式取值,即實(shí)測周期比經(jīng)驗(yàn)周期短,認(rèn)為測試結(jié)果正常,當(dāng)前廠房結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。由實(shí)測得出的基本周期比經(jīng)驗(yàn)周期短的原因,是因?yàn)槊}動測試時結(jié)構(gòu)處于微小振幅下,而且經(jīng)驗(yàn)公式也是由大量的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總結(jié)所得,設(shè)計(jì)計(jì)算時數(shù)學(xué)模型的簡化對周期有影響,加上計(jì)算采用的最大荷載,通常都大于實(shí)際結(jié)構(gòu)重量,因而實(shí)測所得的基本周期會比計(jì)算所得的短,通常也小于經(jīng)驗(yàn)公式所得值。相反,如若實(shí)測周期較明顯大于經(jīng)驗(yàn)公式值,則說明結(jié)構(gòu)很可能存在某方面的問題。 

廠房結(jié)構(gòu)在機(jī)器設(shè)備時其阻尼比未明顯增大,說明該結(jié)構(gòu)無明顯的內(nèi)部質(zhì)量損傷。另外,設(shè)備運(yùn)行引起的樓面最大振幅為0.032mm,其值小于ISO推薦及聯(lián)邦德國(DIN4150)的建筑振動標(biāo)準(zhǔn);樓面振動最大加速度為7.71cm/s2,其值小于日本煙中元弘歸納的建筑物允許振動界限值。參照國外標(biāo)準(zhǔn),由測試結(jié)果認(rèn)為樓板振動在安全限度內(nèi)。 

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

該工程抗震設(shè)防類別為丙類,抗震等級為二級,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)可以取為1.0,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,場地類別為II類。 

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范,基本風(fēng)壓為0.40KN/m2，地面粗糙度取為B類,基本雪壓0.65KN/m2。有關(guān)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值如下:不上人屋面活載為0.5KN/m2;上人屋面活載為2.0KN/m2;樓板活荷載為3.5KN/m2;樓梯活載為3.5KN/m2;走道活載為2.0KN/m2;其余的具體荷載根據(jù)有關(guān)規(guī)范和具體情況取值。結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM程序,由于本文篇幅限制,計(jì)算過程及詳細(xì)結(jié)果略。 

計(jì)算所得底層中柱軸壓比相對較高,富余量不多。結(jié)構(gòu)標(biāo)高28.770m處第①~③軸線之間的現(xiàn)澆混凝土樓板的實(shí)際配筋基本滿足設(shè)計(jì)要求,但樓板承載能力沒有富余。檢查原結(jié)構(gòu)竣工圖紙表明原框架柱的實(shí)際所配鋼筋均能滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)構(gòu)安全性鑒定和加固處理建議

通過對房屋結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)查、檢測及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析,可得如下結(jié)論和建議: 

1)根據(jù)現(xiàn)場量測,該房屋現(xiàn)狀良好,主要結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸與原設(shè)計(jì)基本相符,截面尺寸偏差在現(xiàn)行規(guī)范允許的范圍內(nèi),施工質(zhì)量較好。 

2)根據(jù)混凝土回彈和鉆芯取樣的檢測結(jié)果,認(rèn)為結(jié)構(gòu)中的混凝土材料實(shí)際強(qiáng)度基本達(dá)到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求,但混凝土的碳化深度較深。 

3)結(jié)構(gòu)動力測試結(jié)果表明,廠房雖已投入使用20多年,但實(shí)測頻率值大于經(jīng)驗(yàn)公式取值,表明測試結(jié)果正常,從結(jié)構(gòu)動力學(xué)角度認(rèn)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況保持良好。 

4)對原結(jié)構(gòu)竣工圖紙的檢查表明,該廠房結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施基本能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。 

5)建議設(shè)置沉降觀測點(diǎn),以滿足沉降觀測的要求。在以后的使用過程中應(yīng)注意對沉降的監(jiān)測,以便及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,確保結(jié)構(gòu)安全使用。 

6)由于混凝土的碳化深度較大,建議對外露的混凝土構(gòu)件進(jìn)行粉刷,防止碳化深度繼續(xù)增加。 

結(jié)論與建議 

01 隨著社會的發(fā)展,以人為本發(fā)展新概念的深入人心,人們對房屋使用安全不斷提出更高的要求,更加準(zhǔn)確科學(xué)鑒定房屋的安全狀況勢在必行,因此,作為房屋安全鑒定重要手段的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測也將隨著社會的發(fā)展而發(fā)展。 

02 建筑物的動力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的自振頻率(周期)、振型及阻尼比。從結(jié)構(gòu)固有特性的變化來識別建筑物的質(zhì)量狀況,結(jié)合靜力檢測識別和經(jīng)驗(yàn)識別手段,進(jìn)行房屋安全性鑒定,從而能使鑒定水平更加全面科學(xué),這不失為房屋安全鑒定方面的又一進(jìn)步。 

03 結(jié)構(gòu)動力特性測試只是房屋安全鑒定的一個手段,還要與其他鑒定工作一起進(jìn)行全面分析,綜合評定才能得到滿意的結(jié)果。 

04 結(jié)構(gòu)動力特性測試應(yīng)用前景廣闊,房屋安全性鑒定是其一方面的應(yīng)用,另外測試的動力特性在驗(yàn)證理論計(jì)算公式、總結(jié)規(guī)律給出簡易用的結(jié)構(gòu)振動周期計(jì)算公式、從實(shí)測數(shù)據(jù)分析建筑物的振動現(xiàn)象、實(shí)測得到結(jié)構(gòu)的阻尼比、尋找減小振動的途徑等方面具有重要意義。 

05 利用現(xiàn)場實(shí)測得到的結(jié)構(gòu)動力特性是建筑物建成后的實(shí)際動力特性,因此是準(zhǔn)確可靠的。通過實(shí)測手段對各種不同類型的建筑物進(jìn)行測試后,可歸納總結(jié)出某個規(guī)律,得到計(jì)算結(jié)構(gòu)振動周期的經(jīng)驗(yàn)公式,方便實(shí)用。然而,現(xiàn)實(shí)中在這方面還缺乏系統(tǒng)規(guī)范性的工作,大量的實(shí)測研究工作有待開展。 

06 結(jié)構(gòu)動力實(shí)測方面的國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有待擬定和出臺。動力檢測硬件設(shè)備可以說已比較成熟,現(xiàn)在面臨的問題是,對實(shí)測數(shù)據(jù)的利用還處于定量的帶有很大經(jīng)驗(yàn)性的無章可循的層面上,以至于影響其在實(shí)際工程中的應(yīng)用速度和為人所接受的程度,也因此阻礙著動力檢測技術(shù)自身的發(fā)展,希望相關(guān)方面的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)早日出臺。 

參考文獻(xiàn)：

《基于動力測試的汶川地震后框架結(jié)構(gòu)房屋安全鑒定》

《基于動力測試的中心支撐空間鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究》

《基于動力測試的無填充墻基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)動力性能研究》

《基于錘擊法的新型竹結(jié)構(gòu)房屋動力特性測》

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