吳 燊

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

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結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試在高層建筑健康檢測(cè)中的運(yùn)用

吳 燊

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

以南平市某大廈為例，通過(guò)采用環(huán)境振動(dòng)法對(duì)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試，從中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),為建筑的健康診斷提供依據(jù)，并將測(cè)試結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，分析了存在偏差的可能影響因素，為今后類(lèi)似檢測(cè)提供借鑒依據(jù)。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力，自振頻率，振型，動(dòng)力傳感器

0 引言

隨著高層建筑的廣泛應(yīng)用及人們安全意識(shí)的提高，建筑結(jié)構(gòu)安全已引起人們的注意，建筑物健康檢測(cè)也引起人們的關(guān)注。普通的建筑物安全性鑒定對(duì)裝修及人們生活造成一定影響，而高層建筑的安全性鑒定對(duì)影響人群及范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試是利用工程振動(dòng)測(cè)試技術(shù)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)所受的激勵(lì)和動(dòng)力響應(yīng),從中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(主要為自振頻率、振型)和實(shí)際物理參數(shù)(主要為剛度參數(shù)),結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)反映結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布狀態(tài)，如果結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，也能間接反映結(jié)構(gòu)的物理性態(tài)變化。通過(guò)定期對(duì)建筑進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其變化情況為建筑的健康診斷提供依據(jù)，且結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試對(duì)建筑物沒(méi)有損傷,也不影響建筑物內(nèi)部正常工作,只要在可達(dá)到的結(jié)構(gòu)位置安裝動(dòng)力響應(yīng)傳感器即可，是一種有效而簡(jiǎn)便的方法。因此，結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試在高層建筑健康檢測(cè)中的運(yùn)用，已經(jīng)成為工程界的研究方向。

1 工程概況

南平市某大廈為地上29層，地下2層鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓、屋面板，基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)。房屋建于2012年，總高約88.9 m，底層最大寬度約21.8 m，1層～3層作為商業(yè)使用，4層以上為住宅，房屋標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，外觀如圖2所示。

2 動(dòng)力特性測(cè)試方案

采用環(huán)境振動(dòng)法(脈動(dòng)法)進(jìn)行測(cè)試，避開(kāi)環(huán)境以及系統(tǒng)的干擾，測(cè)試記錄建筑2個(gè)方向的環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)。環(huán)境振動(dòng)法是利用地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所引起的地球表面微小振動(dòng)，來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，它可以不利用任何激振設(shè)備,對(duì)建筑物沒(méi)有損傷,也不會(huì)影響建筑物內(nèi)部正常工作,是一種有效而且簡(jiǎn)便的方法。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試時(shí)，傳感器盡量布置在房屋中心，豎向位置要求一致，自地面往上每隔兩、三層布置一個(gè)941B型傳感器，并用速干石膏粘結(jié)，分別測(cè)試2個(gè)方向振動(dòng)速度，傳感器位置如圖1所示。傳感器通過(guò)抗混濾波器與數(shù)據(jù)采集儀放大、濾波，采集結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的脈動(dòng)速度反應(yīng)參量，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，獲得結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性(頻率與振型)脈動(dòng)測(cè)試與分析的程序如圖3所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)及頻率分析

本工程采樣時(shí)間每次均不小于30 min，設(shè)置采樣頻率為200 Hz，低通40 Hz濾波。通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀測(cè)得房屋兩個(gè)方向的速度脈動(dòng)記錄，對(duì)測(cè)試獲得的時(shí)域記錄進(jìn)行快速傅立葉變換頻譜分析，從而獲得各樓層質(zhì)點(diǎn)的頻率在一定頻帶范圍內(nèi)的頻譜曲線，并通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩兩頻響函數(shù)分析，求得結(jié)構(gòu)的頻率。

根據(jù)上述方法，識(shí)別得出該樓X，Y方向的前兩階頻率及相干函數(shù)。圖4為X方向自功率譜及6層與29層互功率譜、相干函數(shù)，圖5為Y方向自功率譜及6層與29層互功率譜、相干函數(shù)。從圖中可以看出，沿X方向前兩階頻率為0.830 Hz，2.734 Hz，沿Y方向前兩階頻率為0.635 Hz，2.686 Hz；各階相干函數(shù)均接近1，表明分析識(shí)別的自振頻率是可靠的。

4 振型分析

確定固有頻率后，通過(guò)對(duì)不同樓層在固有頻率處響應(yīng)比值，并判斷各樓層相關(guān)函數(shù)的相位差，依據(jù)式(1)計(jì)算[1]，整理相應(yīng)的結(jié)構(gòu)振型，振型識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表1及圖6，圖7。

(1)

其中，Gapk(wi)為k測(cè)點(diǎn)，p測(cè)點(diǎn)的互功率譜；Gapp(wi)為p測(cè)點(diǎn)的自功率譜；φki，φpi分別為k測(cè)點(diǎn)、p測(cè)點(diǎn)的i階振型的坐標(biāo)。

5 實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算的分析比較

通過(guò)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試結(jié)果及振型識(shí)別結(jié)果看出，所測(cè)X方向振動(dòng)頻率較Y方向振動(dòng)頻率大，其表明X方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大于Y方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，與實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)剛度的布置相吻合；房屋結(jié)構(gòu)第一階及第二階振型的振幅分布較為規(guī)律，未出現(xiàn)明顯異常，其表明房屋結(jié)構(gòu)整體性較好，結(jié)構(gòu)未見(jiàn)明顯損傷缺陷。

參考GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，附錄中高層建筑的基本自振周期計(jì)算公式[2]：

(2)

計(jì)算得出房屋基本自振周期為1.749 s，實(shí)際自振周期約為理論計(jì)算自振周期0.90倍，其表明結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振周期基本符合經(jīng)驗(yàn)計(jì)算自振周期，兩者之間差異主要由房屋在使用過(guò)程中產(chǎn)生圍護(hù)墻、隔墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件提高結(jié)構(gòu)剛度，而經(jīng)驗(yàn)計(jì)算無(wú)法考慮周全，這是使計(jì)算周期與實(shí)測(cè)周期偏離的一個(gè)主要因素。

本次測(cè)試為該房屋的健康檢測(cè)建立前期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，為以后的保護(hù)和維修提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以后還將結(jié)合定期監(jiān)測(cè)和不定期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，建立完整的健康檢測(cè)資料庫(kù)。

表1 房屋結(jié)構(gòu)振型識(shí)別結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試在高層建筑健康檢測(cè)中的運(yùn)用與研究，還處于前期階段，本次測(cè)試以南平市某高層建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試為例，闡述了結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試在高層建筑健康檢測(cè)中的運(yùn)用，為完善健康檢測(cè)系統(tǒng)提供參考。結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試在高層建筑健康檢測(cè)中的運(yùn)用與研究，雖還處于前期獲取動(dòng)力特性基本參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的階段，但結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試一定會(huì)在建筑健康檢測(cè)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。此外，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試還可運(yùn)用在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、優(yōu)秀歷史建筑加固效果檢測(cè)及保護(hù)等方面，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 李 斌，盧文勝.高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試實(shí)例分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006,22(2):63-67.

[2] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3] 陸偉東，藍(lán)宗建.某高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試與抗震性能分析[J].世界地震工程，2010，26(3):169-174.

[4] 吳 體，解振濤.結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試在優(yōu)秀歷史建筑保護(hù)中應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36(6):60-64.

[5] 李國(guó)強(qiáng)，陳素文.上海金茂大廈結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(2):35-39.

The application of structural dynamic performance test in high building healthy inspection

Wu Shen

(FujianAcademyofBuildingResearch,Fuzhou350025,China)

Take a building in Nanping as an example, the ambient vibration was carried out in structure dynamic test of building to acquire the modal parameters, which can provide the basis for health diagnosis of building. The test results were compared with the empirical values to analysis of influencing factors of deviation. It can be a conference for follow-up structure dynamic test in health inspection of high-rise building.

construction dynamic, natural frequency, vibration mode, dynamic pickup

1009-6825(2017)17-0032-03

2017-03-06

吳 燊(1982- )，男，工程師

TU311.3

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