建筑工程檢測(cè)中動(dòng)力特性測(cè)試技術(shù)運(yùn)用研究

陳文山

（新豐縣建筑工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心，廣東 韶關(guān) 511100）

0 引言

建筑物的動(dòng)力特性是指建筑物震動(dòng)的周期、振型和阻尼比，在建筑物正式使用后，其動(dòng)力特性不會(huì)發(fā)生明顯變化。在現(xiàn)有的建筑工程檢測(cè)和鑒定過(guò)程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)重視對(duì)建筑物本身動(dòng)力特性的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，在此基礎(chǔ)上與常規(guī)檢測(cè)手段相結(jié)合，能夠?qū)ㄖ慕Y(jié)構(gòu)作出更加科學(xué)的判定。

1 動(dòng)力特性測(cè)試技術(shù)原理

1.1 動(dòng)力特性測(cè)試?yán)碚?/h3>

動(dòng)力特性測(cè)試主要是對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能進(jìn)行研究測(cè)試，在對(duì)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以得到結(jié)構(gòu)自身的自振頻率，將這些數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析建筑是否有足夠的應(yīng)對(duì)地震的能力。為了保證建筑物動(dòng)力特性測(cè)試的順利進(jìn)行，使用有限元軟件分析建筑的自振性，同時(shí)采用線(xiàn)彈性手段確定建筑的空間計(jì)算模型。例如在分析房屋結(jié)構(gòu)時(shí)，通過(guò)3D-beam 單元模型將房屋整體結(jié)構(gòu)劃分成幾個(gè)不同單元，并規(guī)定了這些單元的界面參數(shù)和邊界劃分條件，向相關(guān)檢測(cè)人員提供竣工的材料。同時(shí)應(yīng)用Midas Civil 程序的特征值分析其控制功能，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動(dòng)力特性理論進(jìn)行分析，判斷房屋結(jié)構(gòu)內(nèi)部的振型、自振頻率以及固有的振動(dòng)周期等數(shù)據(jù)。

1.2 主要測(cè)試方法

目前比較常用的一種動(dòng)力特性測(cè)試是脈動(dòng)法，這種測(cè)試方法不需要利用專(zhuān)門(mén)的測(cè)試設(shè)備，用簡(jiǎn)單的儀器對(duì)建筑物的脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集之后再用專(zhuān)業(yè)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以確定建筑物現(xiàn)有的動(dòng)力特性，并且不受建筑本身結(jié)構(gòu)和體積等因素的限制。這種方法的優(yōu)勢(shì)主要在于不會(huì)對(duì)建筑物造成任何負(fù)面影響，也不會(huì)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)留下測(cè)試痕跡，能夠做到無(wú)痕檢測(cè)。

1.3 技術(shù)基本原理

為了保證動(dòng)力特性測(cè)試能夠達(dá)到更好的測(cè)試效果，主要選取DASP-V11 的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)和拾振器對(duì)建筑物的內(nèi)在結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試。目前，主要有時(shí)域分析和頻域分析兩種手段對(duì)常規(guī)的房屋機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性識(shí)別。所謂頻域分析就是將響應(yīng)功率譜作為分析的核心進(jìn)而延伸至奇異值進(jìn)行分解研究，通過(guò)頻域分析法確定的建筑動(dòng)力特性也是建筑的固有頻率和振型，在利用頻域分析法處理脈動(dòng)信號(hào)時(shí)，先計(jì)算某一測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)信號(hào)的振幅譜和功率譜，通過(guò)峰值確定結(jié)構(gòu)的固有頻率。從任意一個(gè)測(cè)點(diǎn)的峰值就可以確定測(cè)點(diǎn)的振型浮動(dòng)區(qū)域，在獲得了所有測(cè)點(diǎn)振型浮動(dòng)區(qū)域后，就可以確定整體結(jié)構(gòu)的振型。

2 建筑工程檢測(cè)中動(dòng)力特性測(cè)試技術(shù)運(yùn)用策略

2.1 阻尼比數(shù)據(jù)歷史建筑保護(hù)性檢測(cè)過(guò)程中的運(yùn)用

在歷史建筑進(jìn)行的檢測(cè)主要是保護(hù)性檢測(cè)，而阻尼比就是在計(jì)算建筑物對(duì)地震的反應(yīng)時(shí)的一個(gè)相關(guān)參數(shù)，但是目前阻尼比數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)理論結(jié)果計(jì)算得出，只能在現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)中得到。通過(guò)判斷建筑阻尼比數(shù)據(jù)的變化來(lái)分析結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)受損現(xiàn)象，尤其是在對(duì)歷史建筑進(jìn)行保護(hù)性測(cè)試時(shí)，尤其會(huì)用到此類(lèi)數(shù)據(jù)[1]。歷史性建筑不管是材料質(zhì)量還是本身的建筑工藝都與現(xiàn)代的建筑類(lèi)型有很大差距。再加上很多歷史建筑外觀(guān)獨(dú)特，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建筑用料性能明顯退化。導(dǎo)致有限元軟件在模擬時(shí)很難得出準(zhǔn)確的結(jié)果，開(kāi)展難度也較大，并且由于有限元軟件模擬本身在邊界條件、網(wǎng)格劃分精確度等方面的不足，使得有限元軟件分析一般不具有獨(dú)立作為分析數(shù)據(jù)的能力，通常還會(huì)通過(guò)其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行佐證。

例如，在對(duì)某大型古塔進(jìn)行保護(hù)性檢測(cè)時(shí)，利用阻尼比數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，據(jù)了解，該塔已經(jīng)有近千年的歷史，是我國(guó)著名的保護(hù)性文物，該塔的整體高度約為67m，整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且塔體采用了底層雙壁的形式，塔身則是木質(zhì)構(gòu)架的雙層結(jié)構(gòu)，塔下利用磚石作為臺(tái)基。分別在2008年（表1）和2013年（表2）對(duì)該塔進(jìn)行兩次測(cè)試，分析兩組阻尼比數(shù)據(jù)之間的差距，可以判斷該塔的穩(wěn)定性。

表1 第一次無(wú)游客時(shí)阻尼比測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 第二次無(wú)游客時(shí)阻尼比測(cè)試數(shù)據(jù)

由表1、表2 之間數(shù)據(jù)對(duì)比可知，第二次測(cè)試數(shù)據(jù)相較于向上數(shù)字增加了約20%，這說(shuō)明在木塔結(jié)構(gòu)當(dāng)中可能存在松動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致木塔整體的穩(wěn)定性受到影響。通過(guò)在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)古塔的阻尼比數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，能夠?yàn)橹髮?duì)古塔進(jìn)行安全鑒定提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。

2.2 頻率測(cè)試在建筑結(jié)構(gòu)異常震動(dòng)檢測(cè)中的運(yùn)用

在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)異常震動(dòng)檢測(cè)時(shí)，主要通過(guò)動(dòng)力特性測(cè)試對(duì)生產(chǎn)設(shè)備震動(dòng)造成的異常振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。如果樓層放置了振動(dòng)設(shè)備造成樓體出現(xiàn)了異常震動(dòng)，主要可以考慮以下兩個(gè)原因：①由于設(shè)備本身產(chǎn)生的激振力頻率與樓體結(jié)構(gòu)構(gòu)件固有的頻率接近一致，導(dǎo)致樓體與設(shè)備共同出現(xiàn)震動(dòng)。②由于結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性不夠，導(dǎo)致在設(shè)備發(fā)生震動(dòng)之后自身也出現(xiàn)了異常震動(dòng)[2]。例如某工廠(chǎng)的排風(fēng)設(shè)備安裝區(qū)域主要是鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，五臺(tái)風(fēng)機(jī)位置設(shè)置相對(duì)比較分散，風(fēng)機(jī)位置設(shè)置如圖1 所示。在風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，樓蓋某些區(qū)域出現(xiàn)明顯的震感。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，將檢測(cè)儀器布置在震感明顯的中間位置，測(cè)試這些位置在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)迫震動(dòng)頻率。因?yàn)樵摴S(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)需求，風(fēng)機(jī)不能停止工作，所以在實(shí)際測(cè)試時(shí)無(wú)法對(duì)樓體本身的自振頻率進(jìn)行檢測(cè)。在測(cè)試時(shí)設(shè)置了4 個(gè)主要測(cè)點(diǎn)，對(duì)樓體的震動(dòng)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試區(qū)域內(nèi)部分結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率和強(qiáng)迫振動(dòng)頻率的比值均維持在0.7～1.3 的共振范圍內(nèi)，也就出現(xiàn)了共振的情況，具體強(qiáng)迫振動(dòng)頻率如表3 所示。在測(cè)試之后找到相應(yīng)的共振構(gòu)建，能夠?yàn)榻酉聛?lái)處理相關(guān)問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

表3 4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率

2.3 振型和阻尼比在新型建筑結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證中的運(yùn)用

隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑物的風(fēng)格和結(jié)構(gòu)也在逐漸豐富，對(duì)新型建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量的方法主要是有限元軟件模擬和縮尺振動(dòng)臺(tái)兩種形式。有限軟件模式模擬的材料結(jié)構(gòu)模型和實(shí)際模型有一定的出入，軟件內(nèi)假定的邊界條件與實(shí)際情況也存在不同，也存在網(wǎng)絡(luò)劃分精確度以及技術(shù)水平落后的不足。而縮尺震動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)也存在縮尺后模型產(chǎn)生重力失真的現(xiàn)象，在選擇模型時(shí)無(wú)法找到合適的材料以及無(wú)法考慮機(jī)構(gòu)構(gòu)建的尺寸效應(yīng)等方面的不足[3]。

例如，在對(duì)某種新型鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，利用理論分析的鋼管結(jié)構(gòu)抗震性能要高于同類(lèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了能夠證明這一結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能，分別對(duì)該房屋建筑進(jìn)行兩次動(dòng)力特性測(cè)試。第一次對(duì)已完成的主體結(jié)構(gòu)和尚未砌筑的填充墻進(jìn)行檢測(cè)，第二次對(duì)已經(jīng)完成的砌筑填充墻進(jìn)行檢測(cè)。兩次檢測(cè)分別表現(xiàn)出來(lái)了不同的結(jié)果，通過(guò)對(duì)比兩次數(shù)據(jù)能夠得出沒(méi)有經(jīng)過(guò)填充的墻，其框架振型更加圓滑和飽滿(mǎn)，而填充墻會(huì)在一定程度上影響墻體結(jié)構(gòu)的延性。同時(shí)對(duì)該建筑進(jìn)行了兩次阻尼比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示填充墻的阻尼比會(huì)有所增加，而且結(jié)構(gòu)的耗能能力更高，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果猜測(cè)可能阻尼比的數(shù)據(jù)與底層使用的鋼管混凝土支柱的材質(zhì)有一定關(guān)系，兩次阻尼比測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表4 所示。

表4 兩次阻尼比測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試結(jié)果與理論取值的差異會(huì)直接影響對(duì)結(jié)構(gòu)性能的判斷，在理論分析上，如果利用鋼筋混凝土柱自隔振技術(shù)能夠延長(zhǎng)房屋結(jié)構(gòu)的自振周期，避開(kāi)平臺(tái)段，減少地震的影響。但是實(shí)際上該房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，根據(jù)實(shí)際動(dòng)力特性測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析，該結(jié)構(gòu)的減震作用與普通框架結(jié)構(gòu)的理論分析結(jié)果相差不大，則可以考慮該房屋結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震當(dāng)中的減震效果并不明顯。主要是由于理論設(shè)計(jì)分析只考慮到了自振周期變化對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，并沒(méi)有對(duì)阻尼比的數(shù)據(jù)變化帶來(lái)的影響。因此在分析新型建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮自振周期和阻尼比兩種數(shù)據(jù)的影響，判斷建筑結(jié)構(gòu)是否具有合格的抗震能力[4]。

2.4 對(duì)結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)動(dòng)力進(jìn)行檢測(cè)

合理使用智能信息處理系統(tǒng)和信息技術(shù)，利用頻域分析法對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的阻尼比、振型和振動(dòng)周期等動(dòng)力特性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合得出房屋實(shí)際結(jié)構(gòu)模型圖。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量之后，將調(diào)查結(jié)果與施工設(shè)計(jì)圖對(duì)比，保證建筑物施工的各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠與設(shè)計(jì)圖相對(duì)應(yīng)，在構(gòu)件尺寸上允許出現(xiàn)約20mm的誤差。

例如陜西省某地房屋，在勘查之后發(fā)現(xiàn)房屋東北向的某處墻面已經(jīng)出現(xiàn)了開(kāi)裂的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析數(shù)據(jù)并比對(duì)設(shè)計(jì)圖，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這一問(wèn)題的原因主要是對(duì)沉降縫的處理過(guò)程不當(dāng)。該房屋框架主體設(shè)計(jì)如圖2 所示，在設(shè)計(jì)時(shí)就以穩(wěn)定性為主，因此在使用后整體結(jié)構(gòu)并沒(méi)有出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，主體結(jié)構(gòu)良好，也沒(méi)有出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。這一房屋的地基基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的靜載缺陷現(xiàn)象，在調(diào)查過(guò)程中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有哪處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了露筋和蜂窩等明顯的質(zhì)量問(wèn)題。因此針對(duì)這一情況，采用回彈和鉆芯綜合法對(duì)房屋框架主體以及混凝土強(qiáng)度進(jìn)行抽檢，并利用鉆芯對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行處理。在測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)很多測(cè)點(diǎn)的混定圖并沒(méi)有滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求而且混凝土出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的碳化現(xiàn)象[5]。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方式本身在準(zhǔn)確性方面存在的不足，并對(duì)房屋進(jìn)行全面測(cè)定。該房屋在檢測(cè)時(shí)使用了脈動(dòng)法對(duì)屋內(nèi)的大型設(shè)備進(jìn)行動(dòng)力性檢測(cè)，利用SVSA 震動(dòng)信號(hào)分析儀器和加速傳感器對(duì)房屋各個(gè)方向的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。利用混凝土結(jié)構(gòu)公式進(jìn)行計(jì)算得出該房屋的第一自振頻率是1.82Hz。由于實(shí)測(cè)周期較短，所以實(shí)測(cè)的頻率稍高于公式計(jì)算的數(shù)值。因此，可以判斷該建筑的整體安全性和穩(wěn)定性依舊良好，因?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行造成的震動(dòng)幅度達(dá)到0.032mm 時(shí)，依舊符合國(guó)家建筑物的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)動(dòng)力進(jìn)行動(dòng)力性檢測(cè)，能夠判定該房屋依舊處于安全限度范圍內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力性檢測(cè)技術(shù)能夠幫助對(duì)歷史建筑物進(jìn)行保護(hù)性檢測(cè)，保證歷史建筑物整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。動(dòng)力性檢測(cè)是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，能夠找到產(chǎn)生異常振動(dòng)的部位和原因，幫助進(jìn)行接下來(lái)的分析和處理。