動(dòng)測(cè)法無損檢測(cè)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的整體性能研究

王 亮

(太原市萬柏林區(qū)住建局，山西太原 030000)

對(duì)鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)而言，其各階自振頻率主要由樓層高度，框架梁、柱、剪力墻以及填充墻的截面尺寸、截面形式、約束條件、材料性能、施工質(zhì)量及損傷等共同決定。在樓層高度，各類構(gòu)件的截面、約束條件等設(shè)計(jì)條件既定的情況下，結(jié)構(gòu)的自振周期或振型則完全由混凝土和填充墻等材料的彈性模量和強(qiáng)度，構(gòu)件的施工質(zhì)量(包括均勻性和密實(shí)性)和結(jié)構(gòu)損傷決定。因此，只要采用動(dòng)測(cè)法測(cè)得結(jié)構(gòu)各階自振周期并將其與理論值進(jìn)行對(duì)比，就能對(duì)結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度、施工質(zhì)量和損傷的現(xiàn)狀作出綜合評(píng)估。

1 工程概況

某高層商住樓主體結(jié)構(gòu)為地下1層，地上17層鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為56.45 m，裙樓結(jié)構(gòu)為地下1層，地上3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)主體及裙樓的地下1層至地上6層結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際承載力下降。因此，由設(shè)計(jì)單位在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)體系及建筑功能的前提下，以提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力為目的提出了加固設(shè)計(jì)。加固方案為:混凝土梁采用粘鋼加固法，混凝土柱采用加大截面法和外包型鋼法，混凝土剪力墻采用加大截面法(墻肢延長及墻體加厚)，混凝土筏板基礎(chǔ)加厚。

待該結(jié)構(gòu)完成加固及其余7層至地上17層的主體結(jié)構(gòu)部分的施工后，采用動(dòng)測(cè)法對(duì)該結(jié)構(gòu)加固后的整體性能進(jìn)行了檢測(cè)。

2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試

1)測(cè)試過程概述。建筑物的動(dòng)力特性是建筑物自身固有的特性，指建筑物的振動(dòng)頻率(或稱振動(dòng)周期)，振型和阻尼比，是十分重要的基本參數(shù)。建筑物的動(dòng)力特性參數(shù)的測(cè)定可為結(jié)構(gòu)整體安全性評(píng)估及損傷識(shí)別積累技術(shù)資料。

測(cè)試設(shè)備為北京東方噪聲與振動(dòng)研究所開發(fā)的INV-6智能信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)，利用該套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境脈動(dòng)試驗(yàn)，可順利完成測(cè)試數(shù)據(jù)從采集、濾波、時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換的全過程，從測(cè)試數(shù)據(jù)中判別出結(jié)構(gòu)的各階自振頻率，根據(jù)實(shí)測(cè)的自振頻率測(cè)得結(jié)構(gòu)的振型。測(cè)試系統(tǒng)見圖1。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)平面上測(cè)試點(diǎn)布置見圖2。測(cè)試時(shí)在每層均布置測(cè)點(diǎn)，且各層測(cè)點(diǎn)位置相同。

圖2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)方向和平面測(cè)點(diǎn)位置

根據(jù)現(xiàn)場測(cè)試采集數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后得到結(jié)構(gòu)縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)的前3階模態(tài)的頻率、振型和阻尼，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振頻率和阻尼

2)測(cè)試結(jié)果分析。依據(jù)GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)附錄E中給出的鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的基本自振周期經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)水平橫向基本自振周期T1=0.887 s，水平縱向基本自振周期T1=0.731 s。對(duì)比可知實(shí)測(cè)周期值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值差別不大，吻合較好，表明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基本上符合一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)有的剛度和質(zhì)量分布，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可信度較好。

3 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

采用有限元程序Midas的前處理模塊，根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料參數(shù)，建立結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析，得到結(jié)構(gòu)自振頻率、周期及振型曲線圖等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的理論解。表2給出了結(jié)構(gòu)前3階水平橫向、水平縱向及扭轉(zhuǎn)的自振周期和頻率的理論解。依據(jù)JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.3.16條規(guī)定，結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。又依據(jù)4.3.17條規(guī)定，當(dāng)非承重墻體為砌體墻時(shí)，對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期自振折減系數(shù)可取0.7～0.8，本次計(jì)算折減系數(shù)選取 0.8。

表2 M idas計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)自振周期及頻率

4 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)工作性能分析

表3給出了實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)各階自振頻率與Midas計(jì)算折減的結(jié)構(gòu)各階自振頻率的對(duì)比結(jié)果。根據(jù)表3中結(jié)果分析，兩種方法得到的結(jié)構(gòu)自振周期值與頻率值較為接近，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型同理論計(jì)算振型基本相符。二者數(shù)據(jù)之間存在一些誤差，主要原因是:相對(duì)于比較復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)，理論計(jì)算都要經(jīng)過簡化，而且實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布，材料的實(shí)際性能、施工質(zhì)量等都較難以非常精確地計(jì)算。

表3 結(jié)構(gòu)自振頻率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比

從表3中數(shù)據(jù)分析，該結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向(水平橫向與水平縱向)的實(shí)測(cè)自振周期(頻率)和計(jì)算自振周期較為接近，符合GB 50010-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［4］第3.5.3條結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近的規(guī)定。根據(jù)JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［5］第4.3.5條，對(duì)于A級(jí)高度高層建筑，其結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.9，而該結(jié)構(gòu)的Midas計(jì)算折減后周期比和現(xiàn)場實(shí)測(cè)周期比分別為0.85和0.88，滿足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)理論計(jì)算周期、實(shí)測(cè)周期與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算周期三者較為接近，說明經(jīng)加固施工后的該高層商住樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)具有一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)有的質(zhì)量和剛度分布。總體上看，針對(duì)該高層商住樓主體及裙樓的地下1層至地上6層結(jié)構(gòu)實(shí)體的加固工程切實(shí)提高了該結(jié)構(gòu)的整體剛度，加固范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)的剛度與上部未加固結(jié)構(gòu)的剛度符合結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度下大上小、逐漸均勻變化的要求，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件工作性能較好，實(shí)際結(jié)構(gòu)整體性、剛度及質(zhì)量的分布情況亦較好。

另外，該結(jié)構(gòu)各階自振頻率的測(cè)量值普遍大于該結(jié)構(gòu)各階自振頻率的理論值，這充分說明該結(jié)構(gòu)的材料性能和施工質(zhì)量整體上能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求(注:當(dāng)該結(jié)構(gòu)實(shí)際材料強(qiáng)度或彈性模量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或者結(jié)構(gòu)施工過程中存在大量施工質(zhì)量缺陷時(shí)，結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度就會(huì)小于其按照設(shè)計(jì)假設(shè)條件計(jì)算得到的理論剛度，眾所周知，在其他條件不變的情況下結(jié)構(gòu)的剛度越大，其頻率越高，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度小于理論剛度時(shí)，結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻率就會(huì)低于結(jié)構(gòu)的理論頻率;相反當(dāng)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)頻率高于結(jié)構(gòu)理論頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度大于理論剛度，這就從側(cè)面說明結(jié)構(gòu)實(shí)際材料性能和施工質(zhì)量能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平)。

5 結(jié)語

1)當(dāng)受到現(xiàn)場檢測(cè)條件的限制，常規(guī)結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法難以操作時(shí)，可以采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試和軟件仿真計(jì)算相結(jié)合的動(dòng)測(cè)法檢測(cè)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)整體性能。

2)采用動(dòng)測(cè)法檢測(cè)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)整體性能時(shí)，可以配合施工外觀質(zhì)量、結(jié)構(gòu)變形、損傷的現(xiàn)狀等因素來綜合反映結(jié)構(gòu)的安全性和使用性。

［1］陳波華，李志國，王家瑛，等.動(dòng)測(cè)法在火損結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，2007(3):21-22.

［2］李家偉，陳積懋.無損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］湯世民.論建筑結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢測(cè)中的無損檢測(cè)技術(shù)［J］.四川建材，2009(7):96-98.

［4］GB 50010-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.