高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷紅外探測技術

武藝鋒

中交建筑集團有限公司 北京100022

引言

在使用高層框架剪力墻基礎的隔震結構的過程中，會遭遇地震、臺風、爆炸、洪水等各種突發(fā)事件［1］。由于各種載荷和突發(fā)事件的影響，對高層框架剪力墻基礎隔震結構造成了不同程度的損傷。高層框架剪力墻基礎隔震結構的損傷累積，使其強度和抗荷能力逐漸下降，導致高層框架剪力墻基礎隔震結構的安全性、適用性和耐用性無法滿足設計的需要。在部分極端的條件下，高層框架剪力墻基礎隔震結構會出現(xiàn)局部或整體的損傷。在高層框架剪力墻基礎隔震結構施工中，及時發(fā)現(xiàn)基礎隔震結構在使用中所產(chǎn)生的損傷，對其進行紅外探測，能預防施工安全，并提升高層框架剪力墻使用壽命。

王曉航等［2］基于傳熱學理論，利用紅外熱成像檢測技術對鋼板組合剪力墻界面脫空問題進行了研究，采用主動式熱激勵和被動式熱激勵加熱兩種方式識別鋼板組合剪力墻界面脫空的缺陷位置和尺寸，得出合理控制熱激勵功率和時間可以有效減小缺陷尺寸識別的誤差率，便于在澆筑混凝土時進行實時跟蹤檢測，但該方法主要針對脫空現(xiàn)象，對整體結構的識別略有不足。許穎等［3］提出基于光學激發(fā)線激光熱源的紅外熱成像法對特定加固混凝土的剝離檢測方法，通過控制線熱束在混凝土結構的表面形成移動掃描熱激勵，通過紅外熱像儀測量結構中的界面剝離引起的表面局部熱分布異常，但該方法應用范圍受限。鄭泓等［4］利用馬爾科夫鏈建立了狀態(tài)轉移矢量自回歸模型（MSVAR），提出一種基于MSVAR模型的非線性損傷探測方法。自回歸模型的狀態(tài)平滑概率可以反映出損傷數(shù)據(jù)的非線性變化，以信息熵作為損傷預警指標來檢測結構的損傷狀況，在模型的自回歸系數(shù)中引入了結構損傷的位置，從而建立了損傷位置的損傷矢量，判斷裂縫的位置，并利用裂縫位置的層間位移來描述裂縫的寬度，采用數(shù)值模擬的方式發(fā)現(xiàn)該方法具有一定的有效性，但是探測精度較低；楊驍?shù)龋?］提出了基于裂紋附加模態(tài)函數(shù)的探測技術，采用最小二乘擬合法，對裂縫的特征進行了辨識。利用兩個實例對裂縫損傷參數(shù)進行了分析，結果表明該方法是可行的、可靠的。研究發(fā)現(xiàn)，裂縫位置的識別比等效彈性剛度的識別準確率要高，裂縫識別的結果對后面的裂縫識別效果有較大的影響，但是在實際應用中，裂縫損傷判別方法是可行的。

基于以上研究背景，本文針對高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程設計一種工程損傷紅外探測技術，構建基礎隔震結構施工工程損傷概率需求模型，完成基礎隔震結構施工工程的易損性分析；修正基礎隔震結構損傷指標，利用基礎隔震結構損傷的紅外判定指標，結合基礎隔震結構施工工程損傷紅外探測算法設計，紅外判定基礎隔震結構施工工程損傷位置，從而保證高層框架剪力墻基礎隔震結構的穩(wěn)定性。

1 工程損傷紅外探測技術設計

1.1 分析基礎隔震結構施工工程的易損性

根據(jù)墻體損傷的特點，可以分為以下四類：

（1）開裂損傷：墻體中部區(qū)域表面出現(xiàn)長條形裂縫，缺陷地區(qū)先出現(xiàn)裂紋，形成微孔，進一步塑性變形時，微孔長大、聚集，直至開裂。

（2）老化損傷：材料在物理或化學作用下產(chǎn)生不良反應，表現(xiàn)出干縮變形、腐蝕、易振等特點。

（3）病害損傷：墻體出現(xiàn)脫空、脫落、滑移、沉降等。

（4）斷裂損傷：在壓力作用下，表面產(chǎn)生的應力超過材料的強度極限而發(fā)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂，是一個緩慢的斷裂過程，塑性變形與裂紋成長同時進行。

基礎隔震結構施工工程的易損性分析中［6］，基于基礎隔震結構的等效重力荷載、結構位移、應變、自振周期、高寬比限值等物理參數(shù)，首先建立基礎隔震結構施工工程損傷概率需求模型。

式中：ξ表示損傷參數(shù)均值的回歸系數(shù)；γ 表示損傷強度的回歸系數(shù)。

為了進一步分析出基礎隔震結構施工工程損傷情況，對公式（1）的兩側取對數(shù)，構建基礎隔震結構施工工程損傷概率需求模型，表示為：

式中：α和β表示基礎隔震結構施工工程損傷指標的回歸分析結果。

基礎隔震結構能力的概率函數(shù)用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表示［7］，此函數(shù)由損傷強度指標對數(shù)均值和對數(shù)標準差表示，即：

基礎隔震結構需求的概率函數(shù)用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)表示，此函數(shù)由基礎隔震結構損傷指標對數(shù)均值和對數(shù)標準差表示［8］，即：

基礎隔震結構施工工程的易損性曲線，表示不同的損傷強度下基礎隔震結構損傷指標超過結構抗倒塌能力的超越概率?；A隔震結構需求F超過結構抗倒塌能力E的超越概率可根據(jù)下式計算：

設基礎隔震結構需求參數(shù)和能力參數(shù)的均值都服從對數(shù)正態(tài)分布，基礎隔震結構的失效概率為：

式中：Ω為標準正態(tài)分布函數(shù)。

結合公式（6）分析基礎隔震結構施工工程的易損性。

1.2 紅外判定基礎隔震結構施工工程損傷位置

根據(jù)基礎隔震結構體系的力學模型，即可計算出施加給基礎隔震結構的荷載，得到理論計算的位移、應變等參數(shù)。由此，采用紅外探測算法，反復確認基礎隔震結構損傷的紅外參數(shù)，即確定一個衡量基礎隔震結構施工工程損傷的紅外定位指標，設基礎隔震結構損傷靈敏度因子δij以及基礎隔震結構損傷程度修正因子κij［9］：

式中：n為基礎隔震結構的單元總數(shù)；δij為基礎隔震結構損傷靈敏度因子，它一般情況下在nδij＞5%時具有較高的靈敏度。因為即使i階模態(tài)下j單元發(fā)生損傷，但在nδij≤5%的情況下，也可能發(fā)生誤判［10］。為了避免誤判的發(fā)生，令在nδij≤5%的情況下，損傷紅外定位指標＝1。

為了消除由于低應變能引起的測量噪音和數(shù)值計算誤差對基礎隔震結構j單元損傷指標的誤判，對基礎隔震結構損傷指進行修正［12］，得到：

式中：m為最后采用的計算模態(tài)數(shù)。

1.3 基礎隔震結構施工工程損傷紅外探測

基礎隔震結構損傷的紅外探測具體步驟如下：

（1）選擇待探測的基礎隔震結構參數(shù)。被探測的紅外參數(shù)可以是組成基礎隔震結構單元剛度的任意參數(shù)，但需要考慮紅外參數(shù)相互耦合的情況。若只有一個參數(shù)是相互耦合的，而另一個參數(shù)與其聯(lián)系不緊密，則需要單獨處理。

（2）確定紅外探測所需的量測信息。利用紅外探測器收集基礎隔震結構損傷的紅外輻射信號，建立每個探測點對紅外探測參數(shù)的靈敏度模型，找出嚴重影響紅外探測參數(shù)的探測點［14］。

（3）根據(jù)基礎隔震結構損傷表面的紅外輻射溫度變化，建立基礎隔震結構靜態(tài)反應的殘差矩陣，表示為：

式中：u為基礎隔震結構體系力學模型的節(jié)點位移陣；ε為基礎隔震結構體系力學模型的節(jié)點應變；W-1（s）為損傷剛度矩陣；s為紅外探測參數(shù)集；B為應變位移的關系矩陣；G為損傷荷載矩陣；m為紅外探測的測量值。

對公式（11）進行收尾相接，得到殘差列陣eu及eε，確定基礎隔震結構的靜態(tài)殘差矩陣，即：

（4）對于基礎隔震結構靜態(tài)殘差，建立紅外探測參數(shù)的靈敏度矩陣：

按照列豎向尾首相接的方式，通過公式（12）得到基礎隔震結構的位移殘差靈敏度矩陣Su和Ss，確定基礎隔震結構的靜態(tài)反應殘差對紅外探測參數(shù)的靈敏度矩陣：

（5）通過定義基礎隔震結構施工工程損傷紅外探測的目標函數(shù)［15］，設計了基礎隔震結構施工工程損傷紅外探測算法，即：

根據(jù)公式（12）、公式（13）和公式（14），可以計算出基礎隔震結構工程損傷待探測參數(shù)的最優(yōu)解，從而實現(xiàn)基礎隔震結構施工工程損傷的紅外探測。

2 實例分析

2.1 工程概況及隔震設計

本文采用基礎隔震分部設計法和基礎隔震直接設計法建立高層框架剪力墻基礎隔震結構體系七層隔震框架結構模型。將該工程抗震設防烈度設置為6 度，基本地震加速度為0.1g，施工場地的類別屬于Ⅲ類，損傷特征的周期為0.5s，高層框架剪力墻的基本風壓為0.50kN／m2。高層框架剪力墻方向跨度為9.5m，框架方向跨度為7.5m?；A隔震結構的地下負一層為隔震層，層高為2.5m。基礎隔震結構地上七層的總高度為22.5m，高寬比為1.5?；A隔震框架結構一共布置了13個LRB500、8個LRB600、2個LNR600和2 個LNR700 的橡膠隔震支座。高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程的現(xiàn)場如圖1 所示。

圖1 基礎隔震結構施工工程現(xiàn)場Fig.1 Construction site of foundation isolation structure

在高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程中，橡膠隔震支座的性能參數(shù)如表1 所示。

表1 橡膠隔震支座的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of rubber isolation bearings

2.2 模擬高層框架剪力墻的基礎隔震支座單元

隔震支座是隔震結構中的重要裝置，一般具有一定的承載性、隔震性、復位性和阻尼消能性。本文選擇天然橡膠支座對高層框架剪力墻的基礎隔震支座單元進行模擬。

天然橡膠支架是用多層薄板與薄板堆疊并經(jīng)硫化粘接而成的。在承受軸向壓力的情況下，橡膠層的橫向變形由鋼板控制，增加了垂直剛度，從而保證了支撐的垂直承載能力。在水平力的作用下，橡膠層在水平方向上發(fā)生了很大的橫向位移。因此，橡膠支架可以同時承受垂直和橫向的載荷。其剪力-位移滯回曲線如圖2所示。

圖2 剪力-位移滯回曲線Fig.2 Shear displacement hysteresis curve

根據(jù)天然橡膠支架的剪力-位移滯回曲線，得到基礎隔震結構的力與位移的關系：

式中：Pw為支座的初始剛度；dy為屈服位移；qd為屈服力；Py為屈服后剛度。

整體測試步驟如下：

（1）用基礎隔震結構的力與位移的關系，模擬高層框架剪力墻的基礎隔震支座單元。

（2）采用simulation 軟件模擬紅外探測結果，基于高層框架剪力墻的基礎隔震支座單元模擬結果，利用文中紅外探測技術對高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷進行紅外探測。

（3）引入基于MSVAR 模型的探測技術和基于裂紋附加模態(tài)的探測技術作對比，根據(jù)不同的基礎隔震結構施工工程損傷類型，測試了基礎隔震結構施工工程損傷的紅外探測精度。

2.3 結果分析

紅外探測結果如圖3 所示。從圖3 可以看出，采用文中紅外探測技術對高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷進行紅外探測時，能夠較為容易地探測到高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷，損傷處為白框標識之處，且能夠呈現(xiàn)整體結構的穩(wěn)定性，具有較強的應用性。

圖3 紅外探測結果Fig.3 Infrared detection results

由位置傳感器及其信號調(diào)理電路采集損傷位置信號，和位置命令信號比較后，計算紅外探測精度，計算公式為：

式中：n為基礎隔震結構的數(shù)量。

根據(jù)不同的基礎隔震結構施工工程損傷類型，將紅外探測技術與文獻［4］基于MSVAR 模型的探測技術、文獻［5］基于裂紋附加模態(tài)的探測技術進行對比，對比結果如圖4 所示。

圖4 基礎隔震結構施工工程損傷的紅外探測精度Fig.4 Infrared detection accuracy of damage in construction projects of basic isolation structures

根據(jù)圖4 的結果可知，針對不同的基礎隔震結構施工工程損傷類型，紅外探測精度也是不同的，采用基于MSVAR 模型的探測技術和基于裂紋附加模態(tài)的探測技術時，紅外探測精度在80%以下，而采用該技術探測基礎隔震結構施工工程損傷時，紅外探測精度可以達到90%以上，具有更好的探測性能。這是因為本文方法具體分析了基礎隔震結構施工工程的易損性，根據(jù)基礎隔震結構體系的力學模型，計算施加給基礎隔震結構的荷載，得到理論計算的位移、應變等參數(shù)，并采用紅外探測算法對基礎隔震結構損傷的紅外參數(shù)進行反復確認，確定一個衡量基礎隔震結構施工工程損傷的紅外定位指標，最終設計結合基礎隔震結構施工工程損傷紅外探測算法，實現(xiàn)了高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷的探測。

3 結語

紅外探測技術實現(xiàn)了高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷的高精度探測，能夠較為容易地探測到高層框架剪力墻基礎隔震結構施工工程損傷，且能夠呈現(xiàn)整體結構的穩(wěn)定性，具有較強的實際應用性。

在今后的研究中，希望可以利用有限元分析法對基礎隔震結構進行有限元分析，提高基礎隔震結構施工工程損傷的紅外探測性能。