基于微振動(dòng)檢測(cè)的既有建筑物加固改造抗震性能評(píng)估系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

柳玉印 許文賢 尹訓(xùn)強(qiáng) 盧明全 韓繼云

（1.大連久鼎特種建筑工程有限公司，大連 116023；2.大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，大連 116622；3.國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100013）

0 引言

近些年，地震所造成的房屋破壞留下了許多值得汲取的慘痛教訓(xùn)［1-2］，也使群眾對(duì)于改善處于老齡期既有建筑抗震性能的愿望強(qiáng)烈。目前，以多層或小高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主的城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造工程正在逐步推進(jìn)，其中，如何進(jìn)行快速且可靠評(píng)估加固改造后建筑物的抗震性能是值得關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)既有建筑物的抗震性能評(píng)估問(wèn)題開(kāi)展了廣泛的研究工作［3-7］。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法［4］可利用專家豐富的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行快速的抗震鑒定，但其可靠性受專家的主觀性影響較大；靜力彈塑性分析方法［5］（Pushover）是基于靜力非線性法引入了地震需求譜和能量譜的概念，該方法計(jì)算效率高，易于科研和工程人員掌握；以增量動(dòng)力時(shí)程分析為主的基于性能的抗震性能評(píng)估體系日趨完善，可通過(guò)建立有限元分析模型較真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，具有較高的可靠性和有效性［6］；然而，所提出的抗震性能評(píng)估方法中，除經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法外，大部分是依據(jù)所建立結(jié)構(gòu)模型，參照工程經(jīng)驗(yàn)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)做出參數(shù)假定，并進(jìn)行計(jì)算分析，此類數(shù)值分析需要較長(zhǎng)有限元建模和分析時(shí)間以及比較繁瑣的計(jì)算。另外，由于施工技術(shù)或?qū)嶋H材料選用的問(wèn)題，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與建成且服役多年后的結(jié)構(gòu)在振動(dòng)特性上是有一定差別的［7］，因此，上述方法很難評(píng)估老齡期既有建筑的實(shí)際性能。

強(qiáng)震作用下既有建筑物往往會(huì)造成不同程度的損傷，導(dǎo)致?lián)p傷的結(jié)構(gòu)剛度變小而基本振動(dòng)周期變長(zhǎng)。比如，日本學(xué)者M(jìn)OTOSAKA通過(guò)對(duì)東日本大地震前后一座9層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的振動(dòng)記錄分析得知［8-9］，地震前、后的基本水平振動(dòng)周期分別為0.62 s和0.86 s，對(duì)該樓進(jìn)行緊急修復(fù)后的基本振動(dòng)周期為0.73 s?；诖讼敕?，若能準(zhǔn)確檢測(cè)改造加固前后既有建筑物的基本振動(dòng)周期，應(yīng)有助于評(píng)估其抗震性能?；谖⒄駝?dòng)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估由日本社團(tuán)法人建筑研究振型協(xié)會(huì)［11］首先提出，呂良正［11］通過(guò)回歸分析進(jìn)一步改善了建筑物基本振動(dòng)周期與抗震性能的函數(shù)關(guān)系，李航［12］結(jié)合Pushover分析方法提出了一種與我國(guó)規(guī)范相適應(yīng)的技術(shù)方法，推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展。

目前，國(guó)家在積極推進(jìn)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造，面對(duì)量大面廣的既有老舊建筑物加固后抗震性能的評(píng)估，快速且可靠的技術(shù)將有效推進(jìn)城市現(xiàn)代化建設(shè)。因此，本文基于現(xiàn)場(chǎng)微振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與性能評(píng)估理論成果，結(jié)合現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］（GB 50011—2010）（以 下 簡(jiǎn) 稱“抗 震 規(guī)范”），以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，研發(fā)了基于微振動(dòng)檢測(cè)的既有建筑物加固改造抗震性能評(píng)估系統(tǒng)，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)快速識(shí)別結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)，并通過(guò)建立動(dòng)態(tài)參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性等效簡(jiǎn)化模型對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行評(píng)估。該評(píng)價(jià)系統(tǒng)旨在對(duì)加固改造后既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行較快速可靠的抗震性能評(píng)估，其可靠性和適用性通過(guò)某加固改造工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于微振動(dòng)檢測(cè)的既有建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估體系

如圖1所示基于微振檢測(cè)的既有結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估系統(tǒng)示意圖，其基本思想是在既有結(jié)構(gòu)安裝智能傳感設(shè)備，拾取由地脈動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并通過(guò)基于LabVIEW平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行識(shí)別動(dòng)力特性參數(shù)，建立參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行評(píng)估。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題如下所述。

圖1 基于微振動(dòng)檢測(cè)的既有結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估體系示意圖Fig.1 Assessment system of seismic capacity for existing buildings based on ambient vibration measurement

1.1 傳感及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

為通過(guò)地脈動(dòng)檢測(cè)得到精度較高的既有建筑物動(dòng)力特性參數(shù)，高精密的傳感設(shè)備及信號(hào)采集儀器是重要的保障。本系統(tǒng)中采用由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究和北京騰晟橋康科技有限公司合作開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的QZ2013型力平衡加速度加速度計(jì)及G01N ET-2高精度多通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，如圖2所示。

圖2 傳感設(shè)備和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀Fig.2 Acceleration sensor and data acquisition instrument

該傳感設(shè)備為三分量輸出差容式動(dòng)圈換能式力平衡加速度計(jì)，測(cè)量范圍為±2.0g，加速度分辨率為0.000 002g，靈敏度為1.1 V/g，動(dòng)態(tài)范圍大于125 dB，橫向靈敏度比小于1%（包括角偏差），零位漂移為2μgn/℃（典型值），圖2中為帶防水保護(hù)盒的狀態(tài)。

脈動(dòng)檢測(cè)用數(shù)據(jù)采集儀是一款集成了信號(hào)調(diào)理模塊和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的同步數(shù)據(jù)采集儀，集成了高性能的濾波芯片、積分電路等信號(hào)調(diào)理模塊，動(dòng)態(tài)范圍大于125 dB，濾波截止頻率可設(shè)置，具有積分、直通模式，最小電壓分辨率可達(dá)0.005 mV，采樣率為1～10 000 Hz，可對(duì)低頻、中頻、高頻微振動(dòng)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，精度較高，可準(zhǔn)確采集到地球日常脈動(dòng)等超微動(dòng)信號(hào)。

1.2 動(dòng)力特性參數(shù)的識(shí)別

既有建筑結(jié)構(gòu)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通常采用僅基于輸出信號(hào)的環(huán)境激勵(lì)下模態(tài)試驗(yàn)分析獲取結(jié)構(gòu)典型動(dòng)態(tài)參數(shù)（振動(dòng)周期、振型、阻尼等），常用的分析方法主要有頻域識(shí)別法、時(shí)域一步法及時(shí)域兩步法［14］。其中，增強(qiáng)型頻域分解法（EFDD）［15］可識(shí)別密集模態(tài)，不產(chǎn)生虛假固有頻率，且精度較高，適用于樓房、風(fēng)機(jī)塔及橋梁等結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。

EFDD法的基本思想：首先將各測(cè)點(diǎn)功率譜密度進(jìn)行奇異值分解，設(shè)y（t）為拾取的響應(yīng)數(shù)據(jù)，則功率譜矩陣為

式中：w為圓頻率；j為虛數(shù)單位；［Σ］為奇異值對(duì)角陣；［Ф］奇異向量，表示模態(tài)振型；上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置。

進(jìn)而將分解后的單自由度功率譜密度函數(shù)進(jìn)行逆傅里葉變換，最后，在時(shí)域內(nèi)求解相關(guān)函數(shù)并可直接完成固有頻率和阻尼比的計(jì)算。其中，第k階模態(tài)的阻尼系數(shù)可用自由衰減函數(shù)表示為

式中：rok為相關(guān)函數(shù)的初始值；rpk為第p個(gè)峰值。

1.3 關(guān)聯(lián)性的建立

為快速且可靠（相對(duì)保守的結(jié)果）的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可將既有建筑物為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，豎向規(guī)則布置且以剪切變形為主，等效簡(jiǎn)化為多自由度質(zhì)點(diǎn)-梁模型（MDOFs），如圖3所示，假定每層的質(zhì)量mi已知，則可通過(guò)2.2節(jié)所確定的振動(dòng)周期，對(duì)層間水平剛度ki進(jìn)行求解。該體系的自由振動(dòng)方程（忽略阻尼影響）為

圖3 基于微振動(dòng)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.3 Simplified model of structure based on AVM

式中：［M］和［K］分別為結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，其中［M］為對(duì)角矩陣；和{u}分別為自由振動(dòng)的加速度向量和位移向量。

則由2.2節(jié)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)后，可獲得結(jié)構(gòu)的頻率fi和相應(yīng)的振型{Фi}，并帶入式（3）可得：

令α=mj/m1，則可由方程式（4）求出各層間剛度為

式中，M為結(jié)構(gòu)的各樓層的總質(zhì)量。

式（5）便可建立既有建筑物實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)抗震評(píng)估簡(jiǎn)化模型之間的關(guān)聯(lián)性。據(jù)此，可對(duì)MDOFs模型進(jìn)行抗震性能評(píng)估。

1.4 抗震性能評(píng)估

依據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定，針對(duì)既有建筑物的抗震性能評(píng)估主要包括地震作用的選取、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以及性能指標(biāo)。

首先，既有建筑物往往是服役了一段時(shí)期，如果不進(jìn)行加固改造其后續(xù)使用時(shí)間要小于設(shè)計(jì)使用期。也就是說(shuō)，僅對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估時(shí)，若仍按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期來(lái)確定地震作用取值顯然是過(guò)于保守的。然而，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》［16］（GB 50728—2011）規(guī)定，既有結(jié)構(gòu)加固后的使用年限可與設(shè)計(jì)使用期相同，并且使用年限到期后，當(dāng)重新進(jìn)行的可靠性鑒定認(rèn)為該結(jié)構(gòu)工作正常，仍可繼續(xù)延長(zhǎng)其使用年限。因此，在本評(píng)價(jià)體系中仍依據(jù)既有建筑物的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期確定的地震作用取值。

其次，既有建筑物的抗震性能目標(biāo)是該結(jié)構(gòu)經(jīng)加固改造后抗震能力應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)。需要說(shuō)明的是，現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定的“三水準(zhǔn)”設(shè)計(jì)原則僅適合丙類建筑的抗震性能目標(biāo)，文獻(xiàn)［6］依據(jù)相關(guān)研究成果，將既有建筑結(jié)構(gòu)抗震性能劃分為五個(gè)等級(jí)，即：①立即使用；②可使用；③修復(fù)后使用；④生命安全；⑤防止倒塌。該分級(jí)較符合既有建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可作為所研發(fā)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

最后，在抗震設(shè)計(jì)與評(píng)估體系中，結(jié)構(gòu)的損傷、能量、位移、延性等可以較全面地描述結(jié)構(gòu)的抗震能力。其中，層間構(gòu)件變形、結(jié)構(gòu)整體變形、穩(wěn)定性等可由層間位移角和整體位移角作為性能指標(biāo)準(zhǔn)確反映，并且和結(jié)構(gòu)的破壞程度有較好的相關(guān)性，因此，在所研發(fā)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中采用層間位移角作為抗震性能指標(biāo)。同時(shí)，為了工程應(yīng)用的方便，并且與抗震規(guī)范統(tǒng)一，本評(píng)價(jià)體系采用層間位移角作為抗震性能指標(biāo)。在已有研究的基礎(chǔ)上，與抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，文獻(xiàn)［6］所給出的既有建筑結(jié)構(gòu)層間位移角限值如表1所示。

表1 既有建筑結(jié)構(gòu)層間位移角限值Table 1 Limit value of inter-story drift ratio for existing building

2 抗震性能評(píng)估系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 評(píng)估體系的實(shí)施過(guò)程

基于上述對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的討論，本文所提出基于微振動(dòng)檢測(cè)既有建筑結(jié)構(gòu)加固改造抗震性能評(píng)估系統(tǒng)的具體實(shí)施過(guò)程如圖4所示，其中，虛線框內(nèi)的內(nèi)容需進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。首先，利用2.1節(jié)所述的設(shè)備在既有建筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置并采集微振數(shù)據(jù)；依據(jù)2.2節(jié)介紹的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析識(shí)別結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)；進(jìn)而，采用2.3節(jié)的關(guān)聯(lián)性建立簡(jiǎn)化后的MDOFs模型，由既有建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和所處場(chǎng)地確定地震作用取值，并選取合理的動(dòng)力分析方法（彈性和彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析法）開(kāi)展結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析；然后，確定該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)相應(yīng)的抗震性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估；最后，給出評(píng)估結(jié)果，針對(duì)該建筑物制定合理的改進(jìn)措施。

圖4 抗震性能評(píng)估體系的實(shí)施過(guò)程Fig.4 Flowchart for assessment system of seismic capacity

2.2 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)分析軟件

LabVIEW是圖形化的編程語(yǔ)言，具有拖放式界面和友好的編程環(huán)境，可調(diào)用C語(yǔ)言及MATLAB等，并且具有高度開(kāi)放的I/O接口，可無(wú)縫對(duì)接許多儀器，因此，本文基于該平臺(tái)進(jìn)行抗震性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 既有結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估系統(tǒng)界面Fig.5 The interface of assessment system of seismic capacity for strengthened existing buildings

該軟件中，模態(tài)參數(shù)識(shí)別、層間剛度計(jì)算、結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析以及性能評(píng)估等步驟均采用C語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。除具備抗震性能評(píng)估要求外，還可通過(guò)拾取的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)，其他主要功能如下：

（1）多臺(tái)并聯(lián)實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集。針對(duì)同時(shí)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同分量的振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可多臺(tái)采集儀通過(guò)局域網(wǎng)并聯(lián)成高達(dá)128通道的同步采集。同時(shí)，基于GPS或接收端電腦的時(shí)間作為基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)控制多臺(tái)采集器同步采集，并可執(zhí)行數(shù)據(jù)采集模塊的定時(shí)、觸發(fā)或自定義控制循環(huán)。

（2）時(shí)、頻域分析模塊。此模塊是對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)、頻域的處理，主要包括數(shù)字濾波、自功率譜平均分析，F(xiàn)FT分析，互功率譜分析，自相關(guān)分析、頻率響應(yīng)函數(shù)分析、小波分析，以及對(duì)數(shù)據(jù)的微積分分析，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的最大峰值，顯示時(shí)域波形等操作。

（3）數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行事件觸發(fā)判斷、事件參數(shù)分析、數(shù)據(jù)波形顯示與保存、分析結(jié)果顯示與保存，并可自動(dòng)生成抗震性能評(píng)估報(bào)告。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

某行政樓加固改造工程為6層現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，建設(shè)于1994年，如圖6所示，建筑面積約7776 m2，長(zhǎng)66 m，寬14 m，建筑高度20.1 m，首層層高3.6 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.3 m，場(chǎng)地類型為中軟土，場(chǎng)地類型為Ⅱ類，該工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為7度設(shè)防。

圖6 某行政樓目標(biāo)結(jié)構(gòu)Fig.6 Objective structure of an office building

采用鉆芯修正回彈法檢測(cè)柱、梁混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C20，經(jīng)計(jì)算，該工程首層及第三層部分柱承載能力不滿足規(guī)范要求，其他柱、梁、板承載能力滿足規(guī)范要求。故對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，為進(jìn)一步延長(zhǎng)既有建筑物的使用期限，具體方案如下：對(duì)各層加固區(qū)域內(nèi)的柱進(jìn)行外包型鋼加固，如圖7所示首層平面圖，紅色區(qū)域?yàn)橹庸虆^(qū)域。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)加固前后采用本文所研發(fā)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)的平面內(nèi)布置如圖7所示。

圖7 目標(biāo)結(jié)構(gòu)平面圖及傳感器測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.7 Objective structure of an office building

3.2 地震作用取值

為驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的可靠性，在此次既有結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中，分別考慮7度設(shè)防地震和8度罕遇地震，基巖峰值加速度分別為0.15g和0.3g。在彈塑性時(shí)程分析中選取適用于Ⅱ類場(chǎng)地的El Centro波地震動(dòng)加速度時(shí)程，歸一化時(shí)程曲線如圖8所示，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s，總持時(shí)為30 s。

圖8 El Centro波地震動(dòng)時(shí)程曲線Fig.8 Time history curve of EL Centro wave

3.3 模態(tài)識(shí)別參數(shù)對(duì)比分析

為進(jìn)行對(duì)比研究，采用ANSYS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析以及彈塑性時(shí)程分析。

圖9所示為基于所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的EFDD法對(duì)所檢測(cè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固前后采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別的頻率及歸一化振型，以及基于有限元數(shù)值分析法所得的振型，為節(jié)省篇幅，僅列出了前兩階結(jié)果。在計(jì)算分析中的坐標(biāo)系如圖7所示，Y為豎直向，X為縱軸水平方向，Z為橫軸水平方向。

從圖9可知，從整體來(lái)看，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固前后，數(shù)值計(jì)算的各階模態(tài)頻率均比實(shí)測(cè)值要大，這主要是有限元模型在建模中對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，不能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性，并且在材料參數(shù)賦值中，依據(jù)的是設(shè)計(jì)資料或規(guī)范參考值，無(wú)法根據(jù)服役20多年后目標(biāo)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)確定。在目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固后，兩種方法所得頻率結(jié)果均有所提高，這主要是結(jié)構(gòu)柱外包型鋼后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度增大的原因。另外，從振型來(lái)看，第1階歸一化振型的z向變形明顯大于x向，這與有限元結(jié)果基本吻合，同理，第2階為縱軸x向變形為主的振型。

圖9 目標(biāo)結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別與數(shù)值模擬對(duì)比（前2階）Fig.9 first and second vibration modes of uncontrolled structure

目標(biāo)結(jié)構(gòu)前六階自振周期如表2所示，其他階次與前述規(guī)律基本類似，此處不再贅述。

表2 目標(biāo)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析數(shù)據(jù)Table 2 Modal analysis data of the target structure

3.4 抗震性能對(duì)比分析

本節(jié)將基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，從層間位移角和結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線來(lái)對(duì)工程結(jié)構(gòu)加固前后的抗震性能進(jìn)行評(píng)估。

圖10給出了各工況下目標(biāo)結(jié)構(gòu)各層的層間位移角分布圖。從圖中不難看出，在兩種設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下，微振動(dòng)檢測(cè)法和數(shù)值分析法所得的層間位移角的變化規(guī)律基本吻合，這主要是數(shù)值分析法在建模中材料屬性的取值導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度要比實(shí)際結(jié)構(gòu)偏大；同時(shí)，目標(biāo)結(jié)構(gòu)在加固后的層間位移角較之加固前的層間位移角偏小，且兩種方法之間的差距也有所減小，這說(shuō)明了對(duì)柱的加固措施提升了結(jié)構(gòu)的剛度。從數(shù)值上來(lái)看，設(shè)防地震作用下，在目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固前，兩種方法所計(jì)算的層間位移角均超過(guò)了表1所規(guī)定的“立即使用”的限值1/550，而經(jīng)加固后，由于整體剛度的增大，提升了該結(jié)構(gòu)的抗震性能，兩種方法所得最大層間位移角均小于限值；在罕遇地震作用下，兩種方法所得結(jié)果均能保證“生命安全”（1/100）性能目標(biāo)。

圖10 各工況下結(jié)構(gòu)各層的層間位移角Fig.10 The inter-story drift under different conditions

圖11所示為各工況下目標(biāo)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線，不難發(fā)現(xiàn)，兩種計(jì)算分析方法以及目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固前后的變化規(guī)律與層間位移角的變化規(guī)律基本類似。從數(shù)值上來(lái)看，設(shè)防地震作用下，目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固前，微振動(dòng)檢測(cè)法與數(shù)值分析法所得的頂點(diǎn)最大位移分別為65 mm和59 mm；加固后分別為57 mm和53 mm。罕遇地震作用下，目標(biāo)結(jié)構(gòu)加固前，微振動(dòng)檢測(cè)法與數(shù)值分析法所得的頂點(diǎn)最大位移分別為86 mm和82 mm；加固后分別為76 mm和71 mm。

圖11 各工況下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線Fig.11 The displacement time-history curves of structure top node in different condition

綜合所述，該工程結(jié)構(gòu)在加固后具備一定抗震安全裕度，能滿足抗震性能目標(biāo)。另外，若對(duì)工程結(jié)構(gòu)的局部檢測(cè)不滿足塑性極限值要求，可在不改變整體結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部加強(qiáng)。

需要說(shuō)明的是，本文所研發(fā)的基于微振動(dòng)檢測(cè)的性能評(píng)估系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果偏保守，適用于大規(guī)模的老齡期既有建筑抗震性能的快速評(píng)估，如果利用該系統(tǒng)評(píng)估的加固改造后工程結(jié)構(gòu)不能滿足規(guī)范要求，則需利用其他評(píng)估方法進(jìn)行校核。

4 結(jié) 論

基于微振檢測(cè)的評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集結(jié)構(gòu)微振響應(yīng)獲得貼近實(shí)際的動(dòng)力特性參數(shù)，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化后開(kāi)展抗震性能評(píng)估，并基于LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能嵌入。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

（1）在LabVIEW平臺(tái)完整地建立了抗震性能評(píng)估系統(tǒng)，可操作性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

（2）傳感及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可高精度分辨并采集地脈動(dòng)的微振動(dòng)信號(hào)，為有效識(shí)別實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)以及保證等效簡(jiǎn)化MDOFs模型的合理性提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）基于等效簡(jiǎn)化模型的抗震性能分析，避免了數(shù)值建模與設(shè)計(jì)思路的重復(fù)性，尤其對(duì)老齡期既有建筑加固前后，其更貼近結(jié)構(gòu)實(shí)際性能。同時(shí)，大大減少了建立精細(xì)化數(shù)值建模以及結(jié)構(gòu)反應(yīng)計(jì)算分析的工作量，可為大規(guī)模既有老舊建筑物的性能評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。

（4）系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)發(fā)了多臺(tái)并聯(lián)實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的時(shí)頻域分析模塊以及數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能等，可進(jìn)一步應(yīng)用于重大工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測(cè)。

最后，結(jié)合實(shí)際工程算例，通過(guò)與基于ANSYS數(shù)值計(jì)算的對(duì)比分析驗(yàn)證了其有效性，計(jì)算結(jié)果表明該系統(tǒng)具備快速完成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)的能力。但是，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)還需進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證。