先勤 汪洋

(1.國(guó)家電網(wǎng)四川省電力公司宜賓供電公司，四川宜賓 644099;2.上海電力學(xué)院電力安全管理研究所，上海 200090)

0 引言

電力系統(tǒng)作為城市生命線(xiàn)工程的重要組成部分，其各類(lèi)的房屋安全與否關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)國(guó)民生產(chǎn)和生活都至關(guān)重要。尤其是房屋在遭受各類(lèi)自然災(zāi)害后需要進(jìn)行迅速的安全評(píng)估，并采取相應(yīng)的措施，以便盡快的投入生產(chǎn)，以利于抗災(zāi)救災(zāi)和災(zāi)后重建工作。因此，電力系統(tǒng)房屋的安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)，已成為建筑安全檢測(cè)和電力建設(shè)管理共同關(guān)注的重要課題。

目前傳統(tǒng)的房屋安全檢測(cè)還是依照GBJ 50292-1999 民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)和GBJ 50144-2008 工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行的，該規(guī)范方法檢測(cè)過(guò)程內(nèi)容多，周期長(zhǎng)，而且現(xiàn)在房屋類(lèi)型及結(jié)構(gòu)體系多種多樣，且各種評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系較為復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)相互矛盾的情況。因此如何應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，以科學(xué)合理的方式應(yīng)用在電力系統(tǒng)房屋的安全檢測(cè)中，以保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 動(dòng)測(cè)技術(shù)的基本原理

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法有回彈法、超聲法、鉆芯取樣法、現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)等，有的只能對(duì)材料強(qiáng)度做出檢測(cè)評(píng)定，有的雖然能對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全做出評(píng)價(jià)(現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn))，卻容易引起結(jié)構(gòu)損壞。動(dòng)力測(cè)試技術(shù)是通過(guò)激振或環(huán)境脈動(dòng)測(cè)出結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)的改變，來(lái)作為判斷結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的標(biāo)志，同時(shí)借助一定的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以診斷結(jié)構(gòu)的損傷部位和程度［1］。動(dòng)力測(cè)試技術(shù)因其設(shè)備簡(jiǎn)單、快速、安全，對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)損傷而獲得了迅速的推廣。

如上所述，目前研究與應(yīng)用中動(dòng)力測(cè)試技術(shù)所用的動(dòng)力參數(shù)眾多，如何針對(duì)某類(lèi)型房屋，找出能準(zhǔn)確測(cè)量的參數(shù)，以及給出一個(gè)損傷程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這是目前動(dòng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 電力系統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)測(cè)的具體實(shí)施

考慮到電力系統(tǒng)中房屋的特點(diǎn)，一般房屋結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，多為多層的框架和砌體結(jié)構(gòu)房屋，體型比較規(guī)整。運(yùn)行環(huán)境比較特殊，安全檢測(cè)應(yīng)盡可能不影響人員的工作和設(shè)備的運(yùn)行。因此，如何用1 個(gè)～2 個(gè)簡(jiǎn)單易測(cè)且較為準(zhǔn)確的指標(biāo)，去迅速判斷電力系統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)的健康狀況和損傷程度，是我們研究的重點(diǎn)。

從近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究的成果來(lái)看［2-4］，頻率指標(biāo)因其測(cè)量容易，準(zhǔn)確度高，已廣泛作為房屋結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)對(duì)于低阻尼比的房屋，阻尼比也是一個(gè)較為簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此筆者根據(jù)長(zhǎng)期的工程結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)電力系統(tǒng)房屋檢測(cè)的特點(diǎn)提出以下兩個(gè)損傷判斷指標(biāo)。

2.1 頻率破損指標(biāo)

在結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)中，自振頻率尤其是低階頻率(第1階～第3 階自振頻率)最容易測(cè)量，且容易激發(fā)，通常環(huán)境激勵(lì)即可測(cè)到，噪聲對(duì)其干擾小，而且電力系統(tǒng)中的房屋以單層或多層的磚混結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)房屋居多，此類(lèi)房屋剛度大，1 階自振頻率較高，這樣局部損傷，尤其是早期損傷容易在低階自振頻率的改變中反映出來(lái)［5］。因此本文以結(jié)構(gòu)的一階自振頻率作為此類(lèi)房屋結(jié)構(gòu)損傷程度評(píng)價(jià)的指標(biāo)。具體指標(biāo)見(jiàn)式(1)和表1:

其中，σf1為初始結(jié)構(gòu)或完好結(jié)構(gòu)的一階自振頻率;f1為實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的一階自振頻率。

表1 損傷指標(biāo)I1的定量分析

2.2 阻尼比指標(biāo)

對(duì)于電力系統(tǒng)中很多有設(shè)備運(yùn)行的房屋，設(shè)備開(kāi)動(dòng)時(shí)的激勵(lì)能量較大，而阻尼比此時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體損傷比較敏感，其改變量的大小能及時(shí)反映結(jié)構(gòu)的整體損傷情況。因此，在本文把結(jié)構(gòu)一階阻尼比也作為一個(gè)判斷指標(biāo)，具體指標(biāo)見(jiàn)式(2)和表2:

其中，σξ1為設(shè)備靜止時(shí)結(jié)構(gòu)的一階阻尼比;ξ1為設(shè)備運(yùn)行時(shí)結(jié)構(gòu)的一階阻尼比。

表2 損傷指標(biāo)I2的定量分析

3 工程實(shí)測(cè)分析

為驗(yàn)證本文提出方法的科學(xué)性和可行性，通過(guò)一個(gè)典型的電力系統(tǒng)房屋的工程安全檢測(cè)，利用兩種方法分別進(jìn)行測(cè)試，綜合比較兩種方法的測(cè)試過(guò)程和結(jié)果，以得出客觀判斷。

南方某省一火電廠汽輪發(fā)電機(jī)室因技術(shù)改造需要進(jìn)行安全檢測(cè)，該結(jié)構(gòu)平面呈矩形，采用鋼筋混凝土柱與鋼屋架組成的排架結(jié)構(gòu)，總建筑面積約1 444 m2，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，廠房?jī)?nèi)部汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)有縫寬約100 mm 的抗震縫，屋面采用C 型檁條和壓型彩鋼板屋面，抗震等級(jí)為二級(jí)。該房屋汽輪發(fā)電機(jī)室結(jié)構(gòu)平面如圖1 所示。因電廠進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)該房屋的可靠性進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

圖1 排架結(jié)構(gòu)平面圖

3.1 傳統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果

1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)本工程除少數(shù)門(mén)窗洞口尺寸或位置存在變更，其余建筑、結(jié)構(gòu)布置均與原設(shè)計(jì)圖紙相符。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，建筑物周邊地面未見(jiàn)明顯沉陷，未發(fā)現(xiàn)排架柱、梁、板明顯變形和開(kāi)裂現(xiàn)象，鋼屋蓋未見(jiàn)明顯異常情況，填充墻體、屋面檐口等圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作狀態(tài)未見(jiàn)明顯異常，所以判斷該房屋地基基礎(chǔ)無(wú)嚴(yán)重靜載缺陷。

2)傾斜測(cè)量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件布置16 個(gè)測(cè)點(diǎn)量測(cè)鋼筋混凝土柱排架平面內(nèi)頂點(diǎn)的側(cè)向位移，測(cè)量數(shù)據(jù)表明，排架柱頂點(diǎn)側(cè)移方向無(wú)明顯一致性，其中最大測(cè)點(diǎn)側(cè)向位移值為1/600H;排架柱平面外未見(jiàn)明顯變形，吊車(chē)運(yùn)行正常。

3)結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度檢測(cè)。

根據(jù)圖紙資料，在現(xiàn)場(chǎng)抽取6 根鋼筋混凝土柱、6 根鋼筋混凝土梁及2 跨鋼筋混凝土吊車(chē)梁構(gòu)件進(jìn)行混凝土強(qiáng)度回彈法檢測(cè)。數(shù)據(jù)表明，所檢柱構(gòu)件現(xiàn)齡期混凝土強(qiáng)度推定值為28.6 MPa～34.1 MPa，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30 的要求;所檢梁構(gòu)件現(xiàn)齡期混凝土強(qiáng)度推定值為30.8 MPa～36.2 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30 的要求;所檢吊車(chē)梁構(gòu)件現(xiàn)齡期混凝土強(qiáng)度推定值為32.7 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30 的要求。

4)計(jì)算分析。

利用SAP 軟件對(duì)該房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算分析，分析結(jié)果表明原房屋的實(shí)際所配鋼筋及構(gòu)造措施均能滿(mǎn)足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

5)結(jié)論。

根據(jù)GBJ 50144-2008 工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)，該房屋結(jié)構(gòu)可靠性等級(jí)可評(píng)為二級(jí)，即“可靠性略低于國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，不影響正常使用，個(gè)別項(xiàng)目應(yīng)采取措施”。

3.2 動(dòng)測(cè)法及結(jié)果

本文動(dòng)力檢測(cè)設(shè)備采用的是同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所自主研發(fā)的SVSA 振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，在汽輪發(fā)電機(jī)室設(shè)備靜止和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下分別進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表3。從測(cè)試結(jié)果分析，該房屋縱、橫向頻率指標(biāo)和阻尼比指標(biāo)基本均在本文表1 和表2 所列的正常范圍內(nèi)，表明該房屋結(jié)構(gòu)健康狀況良好，既有設(shè)備改造時(shí)不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)整修和加固。

表3 汽輪機(jī)房振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了動(dòng)力測(cè)試技術(shù)的原理和方法，并提出了一階頻率和阻尼比兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例，綜合比較了傳統(tǒng)檢測(cè)方法和動(dòng)力測(cè)試方法，從兩種方法的對(duì)比可以看出，采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法耗時(shí)很長(zhǎng)(整個(gè)汽輪機(jī)室現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)花費(fèi)約需1 d 時(shí)間，且后期的數(shù)據(jù)處理也需要一定時(shí)間)，部分檢測(cè)項(xiàng)目可能影響到正常生產(chǎn)(如吊車(chē)梁的回彈和鋼筋掃描須設(shè)備停運(yùn))。而動(dòng)測(cè)法檢測(cè)過(guò)程僅需30 min，且不會(huì)影響正常生產(chǎn)，所得結(jié)論準(zhǔn)確，說(shuō)明動(dòng)力測(cè)試技術(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)中這類(lèi)有特殊需要的房屋安全檢測(cè)更為適用。

［1］朱宏平，余 璟，張俊兵.結(jié)構(gòu)損傷動(dòng)力檢測(cè)與健康監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀與展望［J］.工程力學(xué)，2011，28(2) :1-11.

［2］Law S S，Ward H S，Shi G B，et al.Dynamic assesement of bridge loading carrying capacities［J］.Structure Engineering，ASCE，1995，121(3) :478-495.

［3］張瑞云，曹雙寅.基于振動(dòng)的大型工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別策略研究［J］.工業(yè)建筑，2005，35(sup) :958-961.

［4］徐 麗，易偉健，吳高烈.混凝土框架柱剛度變化識(shí)別的應(yīng)變模態(tài)方法研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2006，25(3) :1-5.

［5］施衛(wèi)星，汪 洋，劉成清.基于頻率測(cè)量的高層建筑地震作用損傷分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，42(4) :1-6.