電力系統房屋動力檢測方法研究

先勤 汪洋

(1.國家電網四川省電力公司宜賓供電公司，四川宜賓 644099;2.上海電力學院電力安全管理研究所，上海 200090)

0 引言

電力系統作為城市生命線工程的重要組成部分，其各類的房屋安全與否關系到整個電力系統的安全運行，對國民生產和生活都至關重要。尤其是房屋在遭受各類自然災害后需要進行迅速的安全評估，并采取相應的措施，以便盡快的投入生產，以利于抗災救災和災后重建工作。因此，電力系統房屋的安全檢測與評價，已成為建筑安全檢測和電力建設管理共同關注的重要課題。

目前傳統的房屋安全檢測還是依照GBJ 50292-1999 民用建筑可靠性鑒定標準和GBJ 50144-2008 工業建筑可靠性鑒定標準來執行的，該規范方法檢測過程內容多，周期長，而且現在房屋類型及結構體系多種多樣，且各種評價指標之間的關系較為復雜，有時會出現相互矛盾的情況。因此如何應用現代先進的檢測技術，以科學合理的方式應用在電力系統房屋的安全檢測中，以保障電力系統的安全運行，將具有十分重要的現實意義。

1 動測技術的基本原理

傳統的結構檢測方法有回彈法、超聲法、鉆芯取樣法、現場結構加載試驗等，有的只能對材料強度做出檢測評定，有的雖然能對結構整體安全做出評價(現場結構加載試驗)，卻容易引起結構損壞。動力測試技術是通過激振或環境脈動測出結構的動力特性，根據房屋結構動力參數的改變，來作為判斷結構損傷發生的標志，同時借助一定的理論分析和現場測試以診斷結構的損傷部位和程度［1］。動力測試技術因其設備簡單、快速、安全，對結構無損傷而獲得了迅速的推廣。

如上所述，目前研究與應用中動力測試技術所用的動力參數眾多，如何針對某類型房屋，找出能準確測量的參數，以及給出一個損傷程度的判斷標準，這是目前動力測試技術應用研究的重點和難點。

2 電力系統房屋結構動測的具體實施

考慮到電力系統中房屋的特點，一般房屋結構相對比較簡單，多為多層的框架和砌體結構房屋，體型比較規整。運行環境比較特殊，安全檢測應盡可能不影響人員的工作和設備的運行。因此，如何用1 個～2 個簡單易測且較為準確的指標，去迅速判斷電力系統房屋結構的健康狀況和損傷程度，是我們研究的重點。

從近年來國內外的學者在結構動力檢測評價指標研究的成果來看［2-4］，頻率指標因其測量容易，準確度高，已廣泛作為房屋結構損傷評價指標。同時對于低阻尼比的房屋，阻尼比也是一個較為簡單準確的評價指標。因此筆者根據長期的工程結構安全檢測的經驗，針對電力系統房屋檢測的特點提出以下兩個損傷判斷指標。

2.1 頻率破損指標

在結構的動力特性參數中，自振頻率尤其是低階頻率(第1階～第3 階自振頻率)最容易測量，且容易激發，通常環境激勵即可測到，噪聲對其干擾小，而且電力系統中的房屋以單層或多層的磚混結構或框架結構房屋居多，此類房屋剛度大，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［5］。因此本文以結構的一階自振頻率作為此類房屋結構損傷程度評價的指標。具體指標見式(1)和表1:

其中，σf1為初始結構或完好結構的一階自振頻率;f1為實測結構的一階自振頻率。

表1 損傷指標I1的定量分析

2.2 阻尼比指標

對于電力系統中很多有設備運行的房屋，設備開動時的激勵能量較大，而阻尼比此時對結構的整體損傷比較敏感，其改變量的大小能及時反映結構的整體損傷情況。因此，在本文把結構一階阻尼比也作為一個判斷指標，具體指標見式(2)和表2:

其中，σξ1為設備靜止時結構的一階阻尼比;ξ1為設備運行時結構的一階阻尼比。

表2 損傷指標I2的定量分析

3 工程實測分析

為驗證本文提出方法的科學性和可行性，通過一個典型的電力系統房屋的工程安全檢測，利用兩種方法分別進行測試，綜合比較兩種方法的測試過程和結果，以得出客觀判斷。

南方某省一火電廠汽輪發電機室因技術改造需要進行安全檢測，該結構平面呈矩形，采用鋼筋混凝土柱與鋼屋架組成的排架結構，總建筑面積約1 444 m2，基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎，廠房內部汽輪發電機基礎與主體結構之間設有縫寬約100 mm 的抗震縫，屋面采用C 型檁條和壓型彩鋼板屋面，抗震等級為二級。該房屋汽輪發電機室結構平面如圖1 所示。因電廠進行技術改造，對該房屋的可靠性進行檢測評估。

圖1 排架結構平面圖

3.1 傳統檢測過程及結果

1)現場測試。

根據現場測繪，發現本工程除少數門窗洞口尺寸或位置存在變更，其余建筑、結構布置均與原設計圖紙相符。

通過現場勘察，建筑物周邊地面未見明顯沉陷，未發現排架柱、梁、板明顯變形和開裂現象，鋼屋蓋未見明顯異常情況，填充墻體、屋面檐口等圍護結構構件工作狀態未見明顯異常，所以判斷該房屋地基基礎無嚴重靜載缺陷。

2)傾斜測量。

根據現場實際條件布置16 個測點量測鋼筋混凝土柱排架平面內頂點的側向位移，測量數據表明，排架柱頂點側移方向無明顯一致性，其中最大測點側向位移值為1/600H;排架柱平面外未見明顯變形，吊車運行正常。

3)結構材料強度檢測。

根據圖紙資料，在現場抽取6 根鋼筋混凝土柱、6 根鋼筋混凝土梁及2 跨鋼筋混凝土吊車梁構件進行混凝土強度回彈法檢測。數據表明，所檢柱構件現齡期混凝土強度推定值為28.6 MPa～34.1 MPa，基本滿足設計強度等級C30 的要求;所檢梁構件現齡期混凝土強度推定值為30.8 MPa～36.2 MPa，滿足設計強度等級C30 的要求;所檢吊車梁構件現齡期混凝土強度推定值為32.7 MPa，滿足設計強度等級C30 的要求。

4)計算分析。

利用SAP 軟件對該房屋結構進行建模計算分析，分析結果表明原房屋的實際所配鋼筋及構造措施均能滿足現行有關規范的規定。

5)結論。

根據GBJ 50144-2008 工業建筑可靠性鑒定標準，該房屋結構可靠性等級可評為二級，即“可靠性略低于國家現行標準規范要求，不影響正常使用，個別項目應采取措施”。

3.2 動測法及結果

本文動力檢測設備采用的是同濟大學結構工程與防災研究所自主研發的SVSA 振動信號采集與分析系統，在汽輪發電機室設備靜止和設備運行狀態下分別進行了測試，其結果見表3。從測試結果分析，該房屋縱、橫向頻率指標和阻尼比指標基本均在本文表1 和表2 所列的正常范圍內，表明該房屋結構健康狀況良好，既有設備改造時不需要進行結構整修和加固。

表3 汽輪機房振動測試結果

4 結語

本文簡單介紹了動力測試技術的原理和方法，并提出了一階頻率和阻尼比兩個評價指標及其判斷標準，通過一個工程實例，綜合比較了傳統檢測方法和動力測試方法，從兩種方法的對比可以看出，采用傳統檢測方法耗時很長(整個汽輪機室現場檢測花費約需1 d 時間，且后期的數據處理也需要一定時間)，部分檢測項目可能影響到正常生產(如吊車梁的回彈和鋼筋掃描須設備停運)。而動測法檢測過程僅需30 min，且不會影響正常生產，所得結論準確，說明動力測試技術對于電力系統中這類有特殊需要的房屋安全檢測更為適用。

［1］朱宏平，余 璟，張俊兵.結構損傷動力檢測與健康監測研究現狀與展望［J］.工程力學，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.基于振動的大型工程結構損傷識別策略研究［J］.工業建筑，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別的應變模態方法研究［J］.振動與沖擊，2006，25(3) :1-5.

［5］施衛星，汪 洋，劉成清.基于頻率測量的高層建筑地震作用損傷分析［J］.西南交通大學學報，2007，42(4) :1-6.