動力特性測試在建筑物檢測鑒定中的應(yīng)用

劉曉東

摘 要 建筑物結(jié)構(gòu)的動力特性屬于建筑物的一個固定屬性，在求解建筑物結(jié)構(gòu)動力特性的過程中，往往是利用模型簡化達(dá)到求解目的，但這個過程無法準(zhǔn)確反映建筑物的實(shí)際固有特性。因此，想要進(jìn)一步了解建筑物實(shí)際固有特性，必須選擇一種新型、優(yōu)質(zhì)的檢測堅(jiān)定方法，準(zhǔn)確有效的堅(jiān)定建筑物固有特定。實(shí)體結(jié)構(gòu)動力特性測試是近年來在實(shí)踐過程中廣泛應(yīng)用的一種檢測堅(jiān)定方法，該測試方法明顯克服傳統(tǒng)理論分析法中存在的各種不足與缺陷，充分考慮到本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、施工影響等多種信心，可全面真實(shí)有效的反映建筑物的實(shí)體結(jié)構(gòu)性能。從實(shí)際應(yīng)用情況可以看出，采用動力特性測試明顯可獲得更為科學(xué)、合理、有效、真實(shí)的建筑物結(jié)構(gòu)性能信息，具有明顯的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞 動力特性測試;檢測鑒定;建筑物固有特性;傳統(tǒng)理論分析法

動力特性測試近年來在建筑物性能的測試中廣泛應(yīng)用，以往主要用于構(gòu)件性能或是結(jié)構(gòu)性能的測試中。但隨著動力特性測試的應(yīng)用價值逐步被開發(fā)出來，動力特性測試的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。有研究學(xué)者[1]對某地的流程鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)實(shí)施動力特性測試，獲取了混凝土框架結(jié)構(gòu)的一階自振頻率，并且和有限元摸態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行比較、調(diào)整，從而驗(yàn)證了混凝土框架結(jié)構(gòu)本身的抗震性能。也有研究學(xué)者[2]通過應(yīng)用動力特性測試監(jiān)測混凝土澆灌建成的廠房動力特性，并與常規(guī)檢測結(jié)果進(jìn)行比較分析，準(zhǔn)確、理性的評估廠房本身的結(jié)構(gòu)性能、剛度，為廠房進(jìn)行加固設(shè)計(jì)提供了更多數(shù)據(jù)、技術(shù)指導(dǎo)。從以上實(shí)例可以看出，在建筑物的檢檢測堅(jiān)定中應(yīng)用動力特性測試，是具有廣泛應(yīng)用價值的。

1動力特性測試的基本原理

動力特性測試實(shí)施過程中，拾振器會將被檢測結(jié)構(gòu)的某一點(diǎn)隨著時間變動的運(yùn)動量轉(zhuǎn)變成模擬電信號，數(shù)據(jù)采集器中的A/D轉(zhuǎn)換器會按照等時間間隔的采樣模式進(jìn)行信號模擬，并且能夠順利轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，這種數(shù)字信號可順利通過處理軟件實(shí)施進(jìn)一步處理。假設(shè)A1=（I=1，2，3，……，n-1，n）其實(shí)是一個離散脈動數(shù)據(jù)，那么n就是離散點(diǎn)數(shù)，而A1則是持續(xù)時間，若A1持續(xù)較長，在幾十秒甚至是幾百秒之間，則在分析過程中，則需要借助加窗階段獲取需要分析的長度數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行分析。在分析過程中，為了進(jìn)一步提升所檢測結(jié)構(gòu)的動力特性準(zhǔn)確度與精確度，可通過降低窗邊瓣泄能效應(yīng)，可在檢測鑒定過程中應(yīng)用Hanning。再者，未能夠順利使用FFT算法進(jìn)行有效計(jì)算，應(yīng)在計(jì)算過程中合理取值。通過頻率域分析法可輔助檢測人員進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)動力特性，也就是被檢測結(jié)構(gòu)的振型與固有頻率。在頻率域的脈動信號處理過程中，應(yīng)首先計(jì)算任何一個測點(diǎn)脈動信號的Fourier振幅譜、功率譜，然后根據(jù)峰值計(jì)算準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)固有頻率。檢測計(jì)算過程中，還可根據(jù)任何一個測點(diǎn)的功率譜與Fourier振幅譜峰值，從而確定檢測構(gòu)件的振型峰值。若在計(jì)算過程中獲取所有測點(diǎn)振型振幅，則可有效確定結(jié)構(gòu)振型。在計(jì)算阻尼比的過程中，應(yīng)積極使用互譜、自譜這兩種囊括頻率響應(yīng)函數(shù)、振型響應(yīng)函數(shù)的信息。因?yàn)檫@樣可通過互譜或是自譜，采用半功率點(diǎn)方法準(zhǔn)確計(jì)算阻尼比。目前，在建筑物檢測鑒定過程中，應(yīng)用最為廣泛的動力特性測試方法主要是脈動法。脈動法對專門的激振設(shè)備無明顯要求，可通過儀器獲取相應(yīng)的建筑物脈動數(shù)據(jù)，然后利用專業(yè)軟件進(jìn)行有效分析，從而確定建筑物的實(shí)際固定動力特性，并且不會被結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)體量限制。再者，脈動法在應(yīng)用過程中并不會對原有建筑結(jié)構(gòu)造成損傷，在完成測試后不會留下痕跡，因此在臨床得到了廣泛應(yīng)用。

2動力特性測試在檢測鑒定中的應(yīng)用

2.1 阻尼比

阻尼比是動力特性檢測過程中常用的一個重要指標(biāo)，在建筑物結(jié)構(gòu)的檢測鑒定中實(shí)施動力特性測試，并使用阻尼比這一中重要指標(biāo)，可有效計(jì)算地震反應(yīng)相關(guān)參數(shù)。但是，阻尼比是一種難以通過理論計(jì)算獲取的重要參數(shù)，必須在現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行實(shí)際檢測分析，才能獲取相應(yīng)的阻尼比數(shù)值。而結(jié)構(gòu)阻尼比則是現(xiàn)今判定建筑物結(jié)構(gòu)受損的關(guān)鍵依據(jù)，通過阻尼比的變化幅度、變化頻率，可輔助檢測人眼及時明確建筑物結(jié)構(gòu)受損的詳細(xì)程度，尤其是用于歷史建筑保護(hù)性監(jiān)測的過程中，更具有應(yīng)用價值，可更為理性的分析被檢測建筑物的結(jié)構(gòu)損傷實(shí)際情況。從實(shí)際應(yīng)用情況可以看出，阻尼比這一重要參數(shù)重要在歷史建筑保護(hù)性監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。歷史性建筑相較于現(xiàn)代化建筑，存在明顯差異，其建造工藝、建造風(fēng)格、建筑造型、建筑特點(diǎn)等都比較獨(dú)特，且歷史性建筑多具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料性能不斷退化等特點(diǎn)。應(yīng)用有限元軟件模擬，存在過高難度，難以獲取精準(zhǔn)真實(shí)的數(shù)據(jù)，模擬過程中假定的邊界條件和實(shí)際情況存在明顯差異，且容易被網(wǎng)格劃分精度過分影響。有研究學(xué)者[3]通過在大型古建筑木塔保護(hù)性監(jiān)測過程中實(shí)施阻尼比測試，探究阻尼比的實(shí)際應(yīng)用價值。研究學(xué)者選取一座具有970余年歷史的木塔作為研究對象，通過在無游客工況期間的南北向阻尼比測試結(jié)果（2次）進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，相較于二次檢測結(jié)果，首次檢測結(jié)果的阻尼比明顯比二次檢測結(jié)果小23.1%，其中東西向的一階振型阻尼比二次檢測結(jié)果相較于首次，明顯要擴(kuò)大18.5%，由此可以判定被檢測木塔本身結(jié)構(gòu)存在節(jié)點(diǎn)松動、結(jié)構(gòu)整體性逐步下降的特點(diǎn)。

2.2 頻率

生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程中的振動會對被檢測建筑物本身的結(jié)構(gòu)造成一定影響，因此在結(jié)構(gòu)異常振動的實(shí)際檢測鑒定過程中，必須實(shí)施動力特性檢測試。實(shí)驗(yàn)研究表明，存在振動設(shè)備的樓層在生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生異常振動的原因主要有兩個：第一是是因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備本身的激振力效率和結(jié)構(gòu)構(gòu)件固有頻率一致或是非常接近，進(jìn)而誘發(fā)共振現(xiàn)象;第二是因結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身剛度不夠，導(dǎo)致被檢測建筑物機(jī)構(gòu)構(gòu)件在出現(xiàn)強(qiáng)迫振動情況下，會增加振幅。有研究文獻(xiàn)針對某個廠房的排風(fēng)樓展開了相應(yīng)研究，因?yàn)楸粰z測廠房的排風(fēng)樓中安裝了多臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，排風(fēng)樓的樓蓋部分區(qū)域會存在明顯的振感。為明確振感的發(fā)生原因，檢測人員對排風(fēng)樓進(jìn)行了動力特性測試。明確現(xiàn)場各個區(qū)域的實(shí)際布置情況后，準(zhǔn)確辨別出存在明顯振感的區(qū)域，然后將這一區(qū)域作為本次勘察的主要區(qū)域。在實(shí)際檢測過程中，在振感明顯區(qū)域布置相應(yīng)的拾振器，然后打開排風(fēng)樓所有風(fēng)機(jī)，促使風(fēng)機(jī)運(yùn)行，未檢測完畢，不允許風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。在現(xiàn)場檢測完畢后，聯(lián)合有限元軟件模擬進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，可獲取相應(yīng)的自振頻率，可明確振感區(qū)域的振感發(fā)生原因，可根據(jù)振感發(fā)生原因，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2.3 性能

建筑物使用一段時間后，建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能也會發(fā)生變化，比如其抗力、載荷均會隨著時間的變化而不斷變化。因此，為了保證建筑物的實(shí)際應(yīng)用價值，保證建筑物本身的性能，提高建筑物的安全性與使用壽命。應(yīng)及時保護(hù)建筑物的結(jié)構(gòu)性能，提高建筑物應(yīng)用過程中的安全性。同時，還需在維護(hù)建筑物結(jié)構(gòu)的過程中，提供相對詳細(xì)、科學(xué)、完整、合理的理論依據(jù)，對建筑物進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。以往通過構(gòu)建模型。計(jì)算分析、試驗(yàn)檢測多層等措施，才能明確建筑物構(gòu)建的實(shí)際性能，可通過評定建筑物構(gòu)件性能，預(yù)期建筑物的應(yīng)用可靠性與應(yīng)用安全性。建筑物結(jié)構(gòu)的可靠性主要從三個方面進(jìn)行評估，如建筑物的耐久性、適用性、安全性。而安全性則是評估建筑物結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標(biāo)。而建筑物結(jié)構(gòu)的安全性主要指建筑物承載能力，承載能力直接決定著建筑物的實(shí)際應(yīng)用安全性，直接關(guān)系著人身安全與財(cái)產(chǎn)安全。在實(shí)際實(shí)踐過程中，做好建筑物結(jié)構(gòu)的安全性檢測評估至關(guān)重要。實(shí)踐主要通過評估建筑物結(jié)構(gòu)的應(yīng)用舒適性，在載荷一定、正常使用情況下，觀察建筑物結(jié)構(gòu)的振動情況與變形情況，從而達(dá)到考察目的。在實(shí)施動力特性測試后，首先要明確在什么樣的情況下完成動力特性測試，明確測試過程中需要解決的重點(diǎn)問題，比如鋼筋混凝土建筑物結(jié)構(gòu)的性能，獲取性能評定結(jié)果后，然后才能進(jìn)一步進(jìn)行測試，為實(shí)際評定建筑物的其他構(gòu)件提供相對真實(shí)可靠的依據(jù)。在完成建筑物所有構(gòu)件的性能檢測后，即刻便可完成建筑物構(gòu)件損傷情況的識別工作，可基于動力特性測試結(jié)果，通過動力測試損傷識別法完成相應(yīng)的建筑物結(jié)構(gòu)性能評定。在這個實(shí)驗(yàn)過程中，可根據(jù)建筑物的實(shí)際損傷識別結(jié)果、構(gòu)建的實(shí)際受力特征，理性評估分析建筑物構(gòu)件的極限承載力。而動力特性測試過程中獲取的多個動力參數(shù)可準(zhǔn)確反映建筑物整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

3結(jié)束語

從本研究分析結(jié)果可以看出，動力特性測試本身具有強(qiáng)大的應(yīng)用價值，可在多種建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的檢測鑒定中發(fā)揮顯著的作用。比如可用于歷史建筑、古建筑的保護(hù)性監(jiān)測、普通高樓大廈的安全性監(jiān)測、常用建筑的性能監(jiān)測等等，可為建筑物結(jié)構(gòu)的安全性提供更為準(zhǔn)確的支撐，可及時檢測出異常區(qū)域的異常發(fā)生原因，可及時辨別建筑的性能實(shí)際情況，為維護(hù)建筑，合理使用建筑提供有力的數(shù)據(jù)支撐與信息支撐，值得應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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