動測法無損檢測現有結構的整體性能研究

王 亮

(太原市萬柏林區住建局，山西太原 030000)

對鋼筋混凝土框架—剪力墻結構而言，其各階自振頻率主要由樓層高度，框架梁、柱、剪力墻以及填充墻的截面尺寸、截面形式、約束條件、材料性能、施工質量及損傷等共同決定。在樓層高度，各類構件的截面、約束條件等設計條件既定的情況下，結構的自振周期或振型則完全由混凝土和填充墻等材料的彈性模量和強度，構件的施工質量(包括均勻性和密實性)和結構損傷決定。因此，只要采用動測法測得結構各階自振周期并將其與理論值進行對比，就能對結構的材料強度、施工質量和損傷的現狀作出綜合評估。

1 工程概況

某高層商住樓主體結構為地下1層，地上17層鋼筋混凝土框剪結構，結構高度為56.45 m，裙樓結構為地下1層，地上3層鋼筋混凝土框架結構。在對該結構進行混凝土強度檢測中發現，該結構主體及裙樓的地下1層至地上6層結構實體混凝土強度未能達到設計要求，造成結構構件實際承載力下降。因此，由設計單位在不改變原結構體系及建筑功能的前提下，以提高結構構件承載力為目的提出了加固設計。加固方案為:混凝土梁采用粘鋼加固法，混凝土柱采用加大截面法和外包型鋼法，混凝土剪力墻采用加大截面法(墻肢延長及墻體加厚)，混凝土筏板基礎加厚。

待該結構完成加固及其余7層至地上17層的主體結構部分的施工后，采用動測法對該結構加固后的整體性能進行了檢測。

2 現有結構動力特性測試

1)測試過程概述。建筑物的動力特性是建筑物自身固有的特性，指建筑物的振動頻率(或稱振動周期)，振型和阻尼比，是十分重要的基本參數。建筑物的動力特性參數的測定可為結構整體安全性評估及損傷識別積累技術資料。

測試設備為北京東方噪聲與振動研究所開發的INV-6智能信號采集處理分析系統，利用該套測試系統進行環境脈動試驗，可順利完成測試數據從采集、濾波、時域到頻域的轉換的全過程，從測試數據中判別出結構的各階自振頻率，根據實測的自振頻率測得結構的振型。測試系統見圖1。

圖1 測試系統

結構平面上測試點布置見圖2。測試時在每層均布置測點，且各層測點位置相同。

圖2 結構振動方向和平面測點位置

根據現場測試采集數據，經分析處理后得到結構縱向、橫向和扭轉的前3階模態的頻率、振型和阻尼，見表1。

表1 結構實測自振頻率和阻尼

2)測試結果分析。依據GB 50009-2001建筑結構荷載規范(2006版)附錄E中給出的鋼筋混凝土框架—剪力墻結構的基本自振周期經驗公式經計算，該結構水平橫向基本自振周期T1=0.887 s，水平縱向基本自振周期T1=0.731 s。對比可知實測周期值與經驗公式計算值差別不大，吻合較好，表明現有結構基本上符合一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結構應有的剛度和質量分布，實測數據可信度較好。

3 現有結構有限元仿真分析

采用有限元程序Midas的前處理模塊，根據結構幾何尺寸、材料參數，建立結構三維有限元分析模型，進行結構模態有限元分析，得到結構自振頻率、周期及振型曲線圖等結構動力特性參數的理論解。表2給出了結構前3階水平橫向、水平縱向及扭轉的自振周期和頻率的理論解。依據JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程第4.3.16條規定，結構自振周期應考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。又依據4.3.17條規定，當非承重墻體為砌體墻時，對框架—剪力墻結構的計算周期自振折減系數可取0.7～0.8，本次計算折減系數選取 0.8。

表2 M idas計算得到的結構自振周期及頻率

4 現有結構工作性能分析

表3給出了實測的結構各階自振頻率與Midas計算折減的結構各階自振頻率的對比結果。根據表3中結果分析，兩種方法得到的結構自振周期值與頻率值較為接近，結構實測振型同理論計算振型基本相符。二者數據之間存在一些誤差，主要原因是:相對于比較復雜的實際結構，理論計算都要經過簡化，而且實際結構的質量分布，材料的實際性能、施工質量等都較難以非常精確地計算。

表3 結構自振頻率實測值與理論計算值對比

從表3中數據分析，該結構兩個主軸方向(水平橫向與水平縱向)的實測自振周期(頻率)和計算自振周期較為接近，符合GB 50010-2010建筑抗震設計規范［4］第3.5.3條結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近的規定。根據JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程［5］第4.3.5條，對于A級高度高層建筑，其結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.9，而該結構的Midas計算折減后周期比和現場實測周期比分別為0.85和0.88，滿足規范要求。

結構理論計算周期、實測周期與經驗公式計算周期三者較為接近，說明經加固施工后的該高層商住樓現有結構具有一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結構應有的質量和剛度分布。總體上看，針對該高層商住樓主體及裙樓的地下1層至地上6層結構實體的加固工程切實提高了該結構的整體剛度，加固范圍內結構的剛度與上部未加固結構的剛度符合結構側向剛度下大上小、逐漸均勻變化的要求，現有結構的抗側力構件工作性能較好，實際結構整體性、剛度及質量的分布情況亦較好。

另外，該結構各階自振頻率的測量值普遍大于該結構各階自振頻率的理論值，這充分說明該結構的材料性能和施工質量整體上能夠達到設計要求(注:當該結構實際材料強度或彈性模量達不到設計要求或者結構施工過程中存在大量施工質量缺陷時，結構的實際剛度就會小于其按照設計假設條件計算得到的理論剛度，眾所周知，在其他條件不變的情況下結構的剛度越大，其頻率越高，因此當結構實際剛度小于理論剛度時，結構的實測頻率就會低于結構的理論頻率;相反當結構的實測頻率高于結構理論頻率時，結構的實際剛度大于理論剛度，這就從側面說明結構實際材料性能和施工質量能夠達到設計要求的水平)。

5 結語

1)當受到現場檢測條件的限制，常規結構檢測方法難以操作時，可以采用結構動力特性測試和軟件仿真計算相結合的動測法檢測現有結構整體性能。

2)采用動測法檢測現有結構整體性能時，可以配合施工外觀質量、結構變形、損傷的現狀等因素來綜合反映結構的安全性和使用性。

［1］陳波華，李志國，王家瑛，等.動測法在火損結構加固中的應用［J］.工業建筑，2007(3):21-22.

［2］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［3］湯世民.論建筑結構工程質量檢測中的無損檢測技術［J］.四川建材，2009(7):96-98.

［4］GB 50010-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［5］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.