基于動力特性測試的既有建筑結(jié)構(gòu)損傷識別研究

王健申 磊周蕊

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450003）

0 前言

建筑結(jié)構(gòu)的動力特性反映了結(jié)構(gòu)體系自身固有的振動特性，是評估結(jié)構(gòu)承載能力和安全裕度的重要參數(shù)，也是識別結(jié)構(gòu)工作性能的重要參數(shù)。任何結(jié)構(gòu)都可看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣構(gòu)成的動力學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)的損傷改變了結(jié)構(gòu)的剛度，其動力特性也相應(yīng)地發(fā)生了變化，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，相關(guān)聯(lián)的自振頻率、阻尼比和振型也將發(fā)生變化，這種變化可視為結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的標志。

《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》（GB/T 50344—2004）[1]中規(guī)定：對于重要和大型公共建筑宜進行結(jié)構(gòu)動力測試。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂等損傷能使結(jié)構(gòu)動力測試的基本周期增大，在振型反應(yīng)中也能反映出來，同時結(jié)構(gòu)動力測試也不會對結(jié)構(gòu)造成損傷。對于大型公共建筑和重要建筑宜在建筑工程竣工驗收完成后，使用前和使用后，分別進行一次動力測試。并宜在每隔10年左右再進行一次動力測試，對使用30年以上的建筑物宜7年左右進行一次動力測試。這些測試應(yīng)與工程竣工驗收完成使用后的動力測試相比較，以確定建筑結(jié)構(gòu)是否存在損傷及其損傷的范圍，為是否需要進行詳細檢測提供依據(jù)。因此，開展基于動力特性測試的結(jié)構(gòu)損傷識別的研究有其重要意義，而測試動力特性的準確性是結(jié)構(gòu)損傷識別的關(guān)鍵因素。

1 結(jié)構(gòu)動力特性測試原理、流程及特有優(yōu)勢

1.1 測試原理

結(jié)構(gòu)動力特性測試方法、測試設(shè)備和儀器，可依據(jù) 《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》[1]（GB/T 50344—2004） 和 《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》[2]（GB/T 50152—2012）進行測試。實際測量、分析的物理量，是被測對象（真實結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)模型等系統(tǒng)）在一定運行環(huán)境中受到某種激勵的動態(tài)響應(yīng)，能在某種程度上反映被測系統(tǒng)的動力性能[3]。通過對被測系統(tǒng)輸入、輸出物理量的測量和分析來確定系統(tǒng)的動力特性，線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系如圖1所示。

圖1 線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系

1.2 測試流程

動力特性測試系統(tǒng)應(yīng)由激勵系統(tǒng)、傳感器和動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)組成。動力特性測試項目可包括結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻尼比等動力特性的測試，結(jié)構(gòu)受振動源激勵后的位移、速度、加速度，動應(yīng)變等動力響應(yīng)的測試，測試時應(yīng)根據(jù)需要選擇不同的測量參數(shù)。現(xiàn)場結(jié)構(gòu)動力特性測試是指由傳感器測得這些非電物理信號并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺缓蠼?jīng)過放大、濾波等環(huán)節(jié)，對信號作適當調(diào)節(jié)，對測試結(jié)果進行顯示、記錄，并進行數(shù)據(jù)分析處理的全過程。結(jié)構(gòu)動力特性測試流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)動力特性測試流程圖

1.3 特有優(yōu)勢

數(shù)值理論計算需對結(jié)構(gòu)進行簡化，無法得到精確的動力特性，且無法通過理論計算得到結(jié)構(gòu)阻尼比。實體結(jié)構(gòu)動力特性測試有效克服了理論分析方法中存在的缺陷和不足，考慮了邊界條件、本構(gòu)關(guān)系及施工質(zhì)量等影響因素，可較為全面真實地反映出建筑物實體結(jié)構(gòu)性能。

結(jié)構(gòu)實測的固有頻率，特別是各階模態(tài)的振型，分析結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和鞭梢效應(yīng)，為改進設(shè)計提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動力特性實測，可為建筑減震、消震和隔震提供幫助。建筑建成后完好狀態(tài)下測試得到的動力特性數(shù)據(jù)，可作為基本技術(shù)檔案保存。建筑物一旦遭受地震等自然災(zāi)害，或使用了一定的年限后，再進行測試，可通過對比資料，為結(jié)構(gòu)安全性評估及損傷識別提供依據(jù)。

2 測試過程中注意事項

選用下限頻率較低、高靈敏度的傳感器、放大器及記錄設(shè)備，信噪比較好的導(dǎo)線。

測試結(jié)構(gòu)動力特性時，測振傳感器應(yīng)布設(shè)在結(jié)構(gòu)理論振型的峰（谷）點[4]，應(yīng)通過連續(xù)測量建筑物所在地的質(zhì)點峰值振動速度來確定振動的特性。

傳感器在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的布置：對于規(guī)則結(jié)構(gòu)，以測試平動振動為主，測試時傳感器應(yīng)安放在典型結(jié)構(gòu)層靠近質(zhì)心位置；對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，除測試平動振動外，應(yīng)在典型結(jié)構(gòu)層的平面端部設(shè)置傳感器，測試結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動。

傳感器沿結(jié)構(gòu)豎向宜均勻布置，且盡量避開存在人為干擾的位置。

傳感器與結(jié)構(gòu)之間應(yīng)有良好的接觸，不應(yīng)有架空隔熱板等隔離層，并應(yīng)可靠固定。

傳感器的靈敏度主軸方向應(yīng)與測試方向一致。

測試過程中盡量減少環(huán)境、噪聲、局部振動及系統(tǒng)的干擾。

應(yīng)保證測試記錄時間，在測量振型和頻率時不應(yīng)少于5 min，在測試阻尼時不應(yīng)小于30 min。

當因測試儀器數(shù)量不足而作多次測試時，每次測試中應(yīng)至少保留一個共同的參考點。

3 結(jié)構(gòu)損傷識別

結(jié)構(gòu)動力特性測試數(shù)據(jù)處理后，應(yīng)根據(jù)需要提供被測試結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比和振型、動力反應(yīng)最大幅值、時程曲線、頻譜曲線等分析結(jié)果。結(jié)構(gòu)的自振頻率可采用自功率譜或傅里葉譜方法進行計算。結(jié)構(gòu)的阻尼比可采用半功率點法或自相關(guān)函數(shù)進行計算，有激勵條件時可按時程自由衰減曲線求取。結(jié)構(gòu)的振型宜采用自譜分析、互譜分析或傳遞函數(shù)分析等方法計算。

結(jié)構(gòu)動力特性與結(jié)構(gòu)損傷或工作性能有直接的關(guān)系，因此根據(jù)結(jié)構(gòu)自振頻率、振型、阻尼比等動力特性的測試結(jié)果，可從以下方面對結(jié)構(gòu)損傷或工作性能進行分析和判斷。

結(jié)構(gòu)頻率的實測值如果大于理論值（或歷史數(shù)據(jù)），說明結(jié)構(gòu)實際剛度比理論估算值（或原來結(jié)構(gòu)剛度）偏大，或?qū)嶋H質(zhì)量比理論估算（或原來質(zhì)量）偏小；反之說明結(jié)構(gòu)實際剛度比理論估算（或原來結(jié)構(gòu)剛度）偏小，或?qū)嶋H質(zhì)量比理論估算（或原來質(zhì)量）偏大。如結(jié)構(gòu)使用一段時間后自振頻率減小，則可能存在開裂或其他不正常現(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)振型應(yīng)當與計算（或歷史結(jié)構(gòu)振型）吻合，如果存在明顯差異，應(yīng)分析結(jié)構(gòu)的荷載分布、施工質(zhì)量或計算模型可能存在的誤差，并應(yīng)分析其影響和應(yīng)對措施。

結(jié)構(gòu)的阻尼比實測值如果大于歷史數(shù)據(jù)，說明結(jié)構(gòu)耗散外部輸入能量的能力強，振動衰減快；反之說明結(jié)構(gòu)耗散外部輸入能量的能力差，振動衰減慢；如阻尼比過大，應(yīng)判斷是否因裂縫等不正常因素所致。

4 結(jié)論

現(xiàn)場結(jié)構(gòu)動力特性測試過程有效克服了理論分析方法中存在的缺陷和不足，考慮了邊界條件、本構(gòu)關(guān)系及施工質(zhì)量等影響因素，可較為全面真實地反映出建筑物實體結(jié)構(gòu)性能。

通過測試結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)（自振頻率、振型和阻尼比等）與理論計算數(shù)據(jù)（或歷史數(shù)據(jù)）對比，分析和判斷建筑結(jié)構(gòu)損傷或工作性能。

環(huán)境激勵的動力特性測試時，如傳感器數(shù)量不足需要作多次測試，最有效的辦法是分區(qū)分階段測試，每次測試中應(yīng)至少保留一個共同的參考點（應(yīng)避開振型節(jié)點），以便與其他測點的數(shù)據(jù)相比較和矯正。參照測點應(yīng)選擇在信噪比良好的樓層，或者選擇在測試區(qū)域重疊處，有時還需考慮建筑結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)場條件、測試能力等。

現(xiàn)有模態(tài)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析處理時，目前只能有一個測點的一個方向的數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，其他重復(fù)測量的數(shù)據(jù)無法輸入到模型中，有待進一步深入研究。

結(jié)構(gòu)動力特性測試多采用脈動測試法，是反應(yīng)結(jié)構(gòu)在微小變形下的動力特性，測得的周期都比較短。如果激振力加大，結(jié)構(gòu)周期會加長。因此，完全按照脈動測試的周期來確定同類型結(jié)構(gòu)的周期，將使計算等效地震力加大，設(shè)計偏于保守，有待于進一步深入研究探討。