陳文山

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

0 引言

建筑物的動力特性是指建筑物震動的周期、振型和阻尼比，在建筑物正式使用后，其動力特性不會發(fā)生明顯變化。在現(xiàn)有的建筑工程檢測和鑒定過程當中應(yīng)當重視對建筑物本身動力特性的參數(shù)進行測試，在此基礎(chǔ)上與常規(guī)檢測手段相結(jié)合，能夠?qū)ㄖ慕Y(jié)構(gòu)作出更加科學的判定。

1 動力特性測試技術(shù)原理

1.1 動力特性測試理論

動力特性測試主要是對建筑物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能進行研究測試，在對鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)進行測試時，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)果進行對比，分析建筑是否有足夠的應(yīng)對地震的能力。為了保證建筑物動力特性測試的順利進行，使用有限元軟件分析建筑的自振性，同時采用線彈性手段確定建筑的空間計算模型。例如在分析房屋結(jié)構(gòu)時，通過3D-beam 單元模型將房屋整體結(jié)構(gòu)劃分成幾個不同單元，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)檢測人員提供竣工的材料。同時應(yīng)用Midas Civil 程序的特征值分析其控制功能，并對建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動力特性理論進行分析，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周期等數(shù)據(jù)。

1.2 主要測試方法

目前比較常用的一種動力特性測試是脈動法，這種測試方法不需要利用專門的測試設(shè)備，用簡單的儀器對建筑物的脈動數(shù)據(jù)進行采集之后再用專業(yè)的軟件對數(shù)據(jù)進行分析，就可以確定建筑物現(xiàn)有的動力特性，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)勢主要在于不會對建筑物造成任何負面影響，也不會在測試現(xiàn)場留下測試痕跡，能夠做到無痕檢測。

1.3 技術(shù)基本原理

為了保證動力特性測試能夠達到更好的測試效果，主要選取DASP-V11 的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，利用計算機和拾振器對建筑物的內(nèi)在結(jié)構(gòu)進行動力特性測試。目前，主要有時域分析和頻域分析兩種手段對常規(guī)的房屋機構(gòu)進行動態(tài)特性識別。所謂頻域分析就是將響應(yīng)功率譜作為分析的核心進而延伸至奇異值進行分解研究，通過頻域分析法確定的建筑動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信號時，先計算某一測點脈動信號的振幅譜和功率譜，通過峰值確定結(jié)構(gòu)的固有頻率。從任意一個測點的峰值就可以確定測點的振型浮動區(qū)域，在獲得了所有測點振型浮動區(qū)域后，就可以確定整體結(jié)構(gòu)的振型。

2 建筑工程檢測中動力特性測試技術(shù)運用策略

2.1 阻尼比數(shù)據(jù)歷史建筑保護性檢測過程中的運用

在歷史建筑進行的檢測主要是保護性檢測，而阻尼比就是在計算建筑物對地震的反應(yīng)時的一個相關(guān)參數(shù)，但是目前阻尼比數(shù)據(jù)無法通過理論結(jié)果計算得出，只能在現(xiàn)場當中得到。通過判斷建筑阻尼比數(shù)據(jù)的變化來分析結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)受損現(xiàn)象，尤其是在對歷史建筑進行保護性測試時，尤其會用到此類數(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)代的建筑類型有很大差距。再加上很多歷史建筑外觀獨特，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很難得出準確的結(jié)果，開展難度也較大，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立作為分析數(shù)據(jù)的能力，通常還會通過其他試驗數(shù)據(jù)進行佐證。

例如，在對某大型古塔進行保護性檢測時，利用阻尼比數(shù)據(jù)進行檢測，據(jù)了解，該塔已經(jīng)有近千年的歷史，是我國著名的保護性文物，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基。分別在2008年（表1）和2013年（表2）對該塔進行兩次測試，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 第一次無游客時阻尼比測試數(shù)據(jù)

表2 第二次無游客時阻尼比測試數(shù)據(jù)

由表1、表2 之間數(shù)據(jù)對比可知，第二次測試數(shù)據(jù)相較于向上數(shù)字增加了約20%，這說明在木塔結(jié)構(gòu)當中可能存在松動的節(jié)點，導(dǎo)致木塔整體的穩(wěn)定性受到影響。通過在不同時間點對古塔的阻尼比數(shù)據(jù)進行測試，能夠為之后對古塔進行安全鑒定提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)保障。

2.2 頻率測試在建筑結(jié)構(gòu)異常震動檢測中的運用

在對建筑結(jié)構(gòu)異常震動檢測時，主要通過動力特性測試對生產(chǎn)設(shè)備震動造成的異常振動進行檢測。如果樓層放置了振動設(shè)備造成樓體出現(xiàn)了異常震動，主要可以考慮以下兩個原因：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。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)生震動之后自身也出現(xiàn)了異常震動[2]。例如某工廠的排風設(shè)備安裝區(qū)域主要是鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，五臺風機位置設(shè)置相對比較分散，風機位置設(shè)置如圖1 所示。在風機實際運行時，樓蓋某些區(qū)域出現(xiàn)明顯的震感。在實際檢測時，將檢測儀器布置在震感明顯的中間位置，測試這些位置在風機運行時出現(xiàn)的強迫震動頻率。因為該工廠的實際生產(chǎn)需求，風機不能停止工作，所以在實際測試時無法對樓體本身的自振頻率進行檢測。在測試時設(shè)置了4 個主要測點，對樓體的震動情況進行分析，發(fā)現(xiàn)測試區(qū)域內(nèi)部分結(jié)構(gòu)的固有振動頻率和強迫振動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，具體強迫振動頻率如表3 所示。在測試之后找到相應(yīng)的共振構(gòu)建，能夠為接下來處理相關(guān)問題提供科學依據(jù)。

表3 4 個測試點的強迫振動頻率

2.3 振型和阻尼比在新型建筑結(jié)構(gòu)性能驗證中的運用

隨著時代的發(fā)展，建筑物的風格和結(jié)構(gòu)也在逐漸豐富，對新型建筑結(jié)構(gòu)進行測量的方法主要是有限元軟件模擬和縮尺振動臺兩種形式。有限軟件模式模擬的材料結(jié)構(gòu)模型和實際模型有一定的出入，軟件內(nèi)假定的邊界條件與實際情況也存在不同，也存在網(wǎng)絡(luò)劃分精確度以及技術(shù)水平落后的不足。而縮尺震動試驗臺也存在縮尺后模型產(chǎn)生重力失真的現(xiàn)象，在選擇模型時無法找到合適的材料以及無法考慮機構(gòu)構(gòu)建的尺寸效應(yīng)等方面的不足[3]。

例如，在對某種新型鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進行檢測時，利用理論分析的鋼管結(jié)構(gòu)抗震性能要高于同類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了能夠證明這一結(jié)構(gòu)的實際性能，分別對該房屋建筑進行兩次動力特性測試。第一次對已完成的主體結(jié)構(gòu)和尚未砌筑的填充墻進行檢測，第二次對已經(jīng)完成的砌筑填充墻進行檢測。兩次檢測分別表現(xiàn)出來了不同的結(jié)果，通過對比兩次數(shù)據(jù)能夠得出沒有經(jīng)過填充的墻，其框架振型更加圓滑和飽滿，而填充墻會在一定程度上影響墻體結(jié)構(gòu)的延性。同時對該建筑進行了兩次阻尼比測試，測試結(jié)果顯示填充墻的阻尼比會有所增加，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，兩次阻尼比測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表4 所示。

表4 兩次阻尼比測試數(shù)據(jù)對比

測試結(jié)果與理論取值的差異會直接影響對結(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)能夠延長房屋結(jié)構(gòu)的自振周期，避開平臺段，減少地震的影響。但是實際上該房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型與實際結(jié)構(gòu)相差甚遠，根據(jù)實際動力特性測試的結(jié)果進行分析，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)在實際地震當中的減震效果并不明顯。主要是由于理論設(shè)計分析只考慮到了自振周期變化對結(jié)構(gòu)帶來的影響，并沒有對阻尼比的數(shù)據(jù)變化帶來的影響。因此在分析新型建筑結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當同時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 對結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)動力進行檢測

合理使用智能信息處理系統(tǒng)和信息技術(shù)，利用頻域分析法對房屋結(jié)構(gòu)的阻尼比、振型和振動周期等動力特性數(shù)據(jù)進行分析，并與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)相結(jié)合得出房屋實際結(jié)構(gòu)模型圖。在實際現(xiàn)場測量之后，將調(diào)查結(jié)果與施工設(shè)計圖對比，保證建筑物施工的各項數(shù)據(jù)能夠與設(shè)計圖相對應(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)了開裂的現(xiàn)象，經(jīng)過分析數(shù)據(jù)并比對設(shè)計圖，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這一問題的原因主要是對沉降縫的處理過程不當。該房屋框架主體設(shè)計如圖2 所示，在設(shè)計時就以穩(wěn)定性為主，因此在使用后整體結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，主體結(jié)構(gòu)良好，也沒有出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。這一房屋的地基基礎(chǔ)應(yīng)當沒有出現(xiàn)明顯的靜載缺陷現(xiàn)象，在調(diào)查過程中也沒有發(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)量問題。因此針對這一情況，采用回彈和鉆芯綜合法對房屋框架主體以及混凝土強度進行抽檢，并利用鉆芯對出現(xiàn)的問題進行處理。在測試之后發(fā)現(xiàn)很多測點的混定圖并沒有滿足設(shè)計需求而且混凝土出現(xiàn)了比較嚴重的碳化現(xiàn)象[5]。為了彌補傳統(tǒng)檢測方式本身在準確性方面存在的不足，并對房屋進行全面測定。該房屋在檢測時使用了脈動法對屋內(nèi)的大型設(shè)備進行動力性檢測，利用SVSA 震動信號分析儀器和加速傳感器對房屋各個方向的震動信號進行檢測。利用混凝土結(jié)構(gòu)公式進行計算得出該房屋的第一自振頻率是1.82Hz。由于實測周期較短，所以實測的頻率稍高于公式計算的數(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，因為設(shè)備運行造成的震動幅度達到0.032mm 時，依舊符合國家建筑物的穩(wěn)定性標準。經(jīng)過對其結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)動力進行動力性檢測，能夠判定該房屋依舊處于安全限度范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

動力性檢測技術(shù)能夠幫助對歷史建筑物進行保護性檢測，保證歷史建筑物整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。動力性檢測是對建筑結(jié)構(gòu)的動力性參數(shù)進行檢測，能夠找到產(chǎn)生異常振動的部位和原因，幫助進行接下來的分析和處理。