某近現(xiàn)代文物建筑修繕加固前后動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試分析

XIE Yongjian

0 引言

采用環(huán)境激勵(lì)法對(duì)受損房屋進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，從而得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能參數(shù)(自振頻率、阻尼比)，通過(guò)同類結(jié)構(gòu)相比，分析結(jié)構(gòu)固有頻率和阻尼變化，得出結(jié)構(gòu)剛度退化程度、地震對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度，在房屋安全鑒定中證明可行[1-2]。本文將以某近現(xiàn)代重點(diǎn)文物建筑為研究對(duì)象，開展結(jié)構(gòu)修繕加固前后的動(dòng)力響應(yīng)實(shí)測(cè)研究，對(duì)比修繕加固施工前后固有頻率和阻尼比的變化，為今后類似結(jié)構(gòu)的防止工業(yè)振動(dòng)加固或既有建筑結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別積累經(jīng)驗(yàn)。

1 房屋修繕加固概況

某近現(xiàn)代文物建筑始建于1922年，坐南朝北，原為仿西式巴洛克風(fēng)格的4層（局部5層）磚木結(jié)構(gòu)建筑，后經(jīng)多次修繕，內(nèi)部改為框架結(jié)構(gòu)。建筑平面呈“回”字形布置，內(nèi)設(shè)天井，主體4層，前部屋頂設(shè)兩層塔樓，建筑總高度約為21.6 m，建筑面積4 245 m2（圖1、2）。該建筑一～三層均為陳列展廳，四層為辦公區(qū)域。其中，建筑底層層高4.5 m，二、三層層高均為3.4 m，四層層高3.3 m。房屋原有墻體基礎(chǔ)采用三合土墊層、磚砌大放腳基礎(chǔ)；后來(lái)加固時(shí)，加固設(shè)計(jì)的框架柱采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，局部采用獨(dú)立基礎(chǔ)，房屋基礎(chǔ)埋深約1.75 m。總體上，房屋的主體結(jié)構(gòu)基本為內(nèi)部鋼筋混凝土框架和局部磚墻承重，外圍護(hù)磚墻基本為自承重墻的混合結(jié)構(gòu)體系。

圖1 某近現(xiàn)代文物建筑立面圖

本次修繕加固主要針對(duì)部分結(jié)構(gòu)承載力不足的梁柱進(jìn)行加固。其中，柱的加固方式主要采用加大截面和外包型鋼兩種，其剛度變化較大；梁的加固主要采用混凝土置換、粘貼碳纖維、外包型鋼等3種方式，其截面形狀大小沒(méi)有明顯改變，剛度變化小。此外，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)老化損傷進(jìn)行修繕，如采用壓力灌漿對(duì)墻體裂縫進(jìn)行修繕，鑿除混凝土構(gòu)件表面酥松混凝土，采用高強(qiáng)度的灌漿料置換等。房屋的結(jié)構(gòu)平面布置如圖3、4所示，其中，柱的加固情況詳見圖中示例。

2 測(cè)試方案

2.1 測(cè)試工況設(shè)計(jì)

加固前，對(duì)房屋的初始狀況先進(jìn)行1組模態(tài)測(cè)試；加固后，再進(jìn)行2組獨(dú)立模態(tài)測(cè)試(第1組和第2組分別在不同日期夜間相對(duì)安靜的情況下測(cè)試)，模態(tài)測(cè)試工況如表1所示。通過(guò)比較加固后第1組和第2組的模態(tài)參數(shù)變化量，驗(yàn)證模態(tài)參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性，證明本文所采取的方法能反映結(jié)構(gòu)剛度的實(shí)際變化測(cè)試要求；同時(shí)，比較加固前后模態(tài)參數(shù)的變化，分析結(jié)構(gòu)加固對(duì)固有頻率和阻尼比的影響。

2.2 儀器設(shè)備

圖2 某近現(xiàn)代文物建筑典型平面圖

圖3 某近現(xiàn)代文物建筑一～三層結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 某近現(xiàn)代文物建筑四層結(jié)構(gòu)平面圖

動(dòng)力實(shí)測(cè)設(shè)備采用941B型拾振器接收速度信號(hào)，經(jīng)941型16線放大器放大后，送NI 9220采集卡采集，由北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所DASP采集分析軟件進(jìn)行存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示?？紤]到本建筑為多層，結(jié)構(gòu)平面布置較為規(guī)則，故主要研究建筑平動(dòng)的第一階振型。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

平動(dòng)模態(tài)的測(cè)點(diǎn)宜布置在建筑物的剛度中心，其目的是為了讓傳感器盡量?jī)H接收到平移振動(dòng)信號(hào)而屏蔽掉扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)，從而在做數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，便于識(shí)別平移振動(dòng)信號(hào)。當(dāng)受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的限制，不可能在建筑物的剛度中心安放傳感器時(shí)，要盡可能地靠近剛度中心，使扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)盡可能地小，突出平移振動(dòng)信號(hào)。

本工程中，鑒于建筑呈“回”字型，內(nèi)部為天井，故分別在二～四層樓面及屋面天井一側(cè)靠近中心區(qū)域各布置了3個(gè)水平振動(dòng)傳感器（共12個(gè)），且3種工況的測(cè)點(diǎn)布置位置均一致（圖6～8）。

在布置傳感器時(shí)，每個(gè)方向上的傳感器測(cè)試方向盡量一致，在各樓層上測(cè)點(diǎn)的平面位置也盡量一致，使傳感器能穩(wěn)固地放在結(jié)構(gòu)層上，以避免受到建筑裝修的影響。另外，傳感器附近避免磁場(chǎng)干擾及局部振動(dòng)。

表1 模態(tài)測(cè)試工況

圖5 動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)

3 數(shù)據(jù)采集

為避免人員干擾，每個(gè)工況均在夜間安靜時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間均為2 h，采集參數(shù)為速度，采用頻率均為204.8 Hz。

對(duì)圖9所示的各工況振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)去直流分量，并進(jìn)行加漢寧窗的快速傅里葉變換，得到如圖10所示的振動(dòng)速度頻譜曲線。由圖9可知：加固前頂層水平方向的振動(dòng)主頻為3.02～3.32 Hz，加固后頂層水平方向的振動(dòng)主頻為3.60～3.80 Hz；加固措施使得結(jié)構(gòu)水平方向振動(dòng)主頻增加約16%。本節(jié)數(shù)據(jù)主要反映單點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的振動(dòng)響應(yīng)，而研究建筑整體響應(yīng)需要采用模態(tài)分析方法分析固有頻率和阻尼比等參數(shù)特性。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)層測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖7 各層測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖8 傳感器布置典型照片

4 模態(tài)分析

4.1 建立模型

本建筑平面結(jié)構(gòu)呈“回”字型，中間有一矩形天井。利用模態(tài)分析軟件（Coinv DASP V10）建立模型，共包括20個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)為3個(gè)自由度，故總共為60個(gè)自由度。模型建立完畢后，需要對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度約束。這里的約束和力學(xué)中講的約束不同，并不是指的固支、簡(jiǎn)支等邊界條件，而是將建立的結(jié)構(gòu)模型和采集的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，這樣在模態(tài)分析中才能按照數(shù)據(jù)的特性去運(yùn)動(dòng)，才能形成模態(tài)振型。

圖9 各工況典型速度時(shí)程曲線圖

為了得到本次關(guān)心的水平振動(dòng)模態(tài)，考慮到本次測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，需要對(duì)模型約束作以下假定：①所有節(jié)點(diǎn)鉛垂方向的自由度均為零；②假定地面節(jié)點(diǎn)各方向的自由度為零；③同一樓層中，同一軸線上的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在相同方向的自由度相同。

將測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)輸入到結(jié)構(gòu)模型中，其模型及數(shù)據(jù)約束如圖11所示。

4.2 模態(tài)擬合

圖10 各工況典型頻譜曲線圖

圖11 模型建立及數(shù)據(jù)約束

利用模態(tài)分析軟件（Coinv DASP V10）選擇合適的方法進(jìn)行模態(tài)擬合，主要可以分為時(shí)域法和頻域法。本次模態(tài)擬合采用時(shí)域法中的隨機(jī)子空間法（SSI），以線性的離散狀態(tài)空間方程為基本模型，將輸入項(xiàng)和噪聲項(xiàng)合并假定為白噪聲，并以此為基礎(chǔ)，利用白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行計(jì)算，得到卡爾曼濾波狀態(tài)序列，再應(yīng)用最小二乘計(jì)算系統(tǒng)矩陣，完成識(shí)別過(guò)程。

4.3 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)模態(tài)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比。

（1）比較加固后兩組測(cè)試數(shù)據(jù)的固有頻率及阻尼比（表2）。從表2可以看出，結(jié)構(gòu)加固后，兩組不同測(cè)試數(shù)據(jù)模態(tài)分析得到的固有頻率和阻尼比都非常接近，第2組數(shù)據(jù)相對(duì)于第1組數(shù)據(jù)，南北方向一階平動(dòng)固有頻率相差0.7%，阻尼比相差5.6%；東西向一階平動(dòng)固有頻率基本相同，阻尼比相差5.3%。這說(shuō)明結(jié)構(gòu)的固有頻率測(cè)試值一致性非常好，阻尼比差別不大。

（2）對(duì)比加固前和加固后的模態(tài)分析數(shù)據(jù)（表3），加固后結(jié)構(gòu)南北方向和東西方向一階平動(dòng)固有頻率兩組數(shù)據(jù)的平均值相比加固前分別增加了20.1%和13.1%，阻尼比相比加固前分別增加了25%和42.3%，說(shuō)明加固前后的動(dòng)力參數(shù)（固有頻率、阻尼比）發(fā)生了較大改變。

表2 結(jié)構(gòu)加固后兩組固有頻率與阻尼比

表3 結(jié)構(gòu)加固前后固有頻率與阻尼比

4.4 分析

國(guó)外文獻(xiàn)［1］認(rèn)為，當(dāng)固有頻率改變5%以上時(shí)，能夠比較肯定地認(rèn)為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷。但是，本工程模態(tài)分析結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)既有建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，固有頻率的改變比建筑物自身劣化引起的改變更加明顯。通常情況下，結(jié)構(gòu)的剛度及填充墻的分布和質(zhì)量均會(huì)對(duì)固有頻率存在影響，而本項(xiàng)目填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件相對(duì)于加固前沒(méi)有明顯改變，其固有頻率的改變主要是由結(jié)構(gòu)加固導(dǎo)致的。

對(duì)于阻尼比的改變，其原因更加復(fù)雜，文獻(xiàn)［2］指出，一般情況下，結(jié)構(gòu)的阻尼比隨頻率的增加而增加；且非承重構(gòu)件的數(shù)量和材料也是影響結(jié)構(gòu)阻尼比的因素，如較多填充墻的賓館和宿舍就比較少隔斷的辦公樓阻尼大。文獻(xiàn)［3］指出，建筑裝飾特別是外部玻璃幕墻對(duì)結(jié)構(gòu)的阻尼比影響很大?？梢娫诮窈蟮慕Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別或振動(dòng)控制工程中，通過(guò)固有頻率的改變是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)某近現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)加固前后振動(dòng)模態(tài)分析，得出建筑固有頻率和阻尼比的變化幅值，可為今后類似近現(xiàn)代文物建筑防止工業(yè)振動(dòng)加固和損傷識(shí)別提供參考。