基于微振動檢測的既有建筑物加固改造抗震性能評估系統研發及應用

柳玉印 許文賢 尹訓強 盧明全 韓繼云

（1.大連久鼎特種建筑工程有限公司，大連 116023；2.大連大學土木工程技術研究與開發中心，大連 116622；3.國家建筑工程質量監督檢驗中心，北京 100013）

0 引言

近些年，地震所造成的房屋破壞留下了許多值得汲取的慘痛教訓［1-2］，也使群眾對于改善處于老齡期既有建筑抗震性能的愿望強烈。目前，以多層或小高層鋼筋混凝土結構為主的城鎮老舊小區改造工程正在逐步推進，其中，如何進行快速且可靠評估加固改造后建筑物的抗震性能是值得關注的關鍵技術問題。

長期以來，國內外針對既有建筑物的抗震性能評估問題開展了廣泛的研究工作［3-7］。傳統的經驗評估法［4］可利用專家豐富的經驗進行快速的抗震鑒定，但其可靠性受專家的主觀性影響較大；靜力彈塑性分析方法［5］（Pushover）是基于靜力非線性法引入了地震需求譜和能量譜的概念，該方法計算效率高，易于科研和工程人員掌握；以增量動力時程分析為主的基于性能的抗震性能評估體系日趨完善，可通過建立有限元分析模型較真實反映結構的動力特性，具有較高的可靠性和有效性［6］；然而，所提出的抗震性能評估方法中，除經驗評估法外，大部分是依據所建立結構模型，參照工程經驗或者試驗數據做出參數假定，并進行計算分析，此類數值分析需要較長有限元建模和分析時間以及比較繁瑣的計算。另外，由于施工技術或實際材料選用的問題，所設計結構與建成且服役多年后的結構在振動特性上是有一定差別的［7］，因此，上述方法很難評估老齡期既有建筑的實際性能。

強震作用下既有建筑物往往會造成不同程度的損傷，導致損傷的結構剛度變小而基本振動周期變長。比如，日本學者MOTOSAKA通過對東日本大地震前后一座9層鋼筋混凝土結構的振動記錄分析得知［8-9］，地震前、后的基本水平振動周期分別為0.62 s和0.86 s，對該樓進行緊急修復后的基本振動周期為0.73 s?；诖讼敕?，若能準確檢測改造加固前后既有建筑物的基本振動周期，應有助于評估其抗震性能。基于微振動檢測的結構抗震性能評估由日本社團法人建筑研究振型協會［11］首先提出，呂良正［11］通過回歸分析進一步改善了建筑物基本振動周期與抗震性能的函數關系，李航［12］結合Pushover分析方法提出了一種與我國規范相適應的技術方法，推動了該技術的發展。

目前，國家在積極推進城鎮老舊小區改造，面對量大面廣的既有老舊建筑物加固后抗震性能的評估，快速且可靠的技術將有效推進城市現代化建設。因此，本文基于現場微振動檢測技術與性能評估理論成果，結合現行《建筑抗震設計規范》［13］（GB 50011—2010）（以 下 簡 稱“抗 震 規范”），以LabVIEW為開發平臺，研發了基于微振動檢測的既有建筑物加固改造抗震性能評估系統，可依據現場檢測數據快速識別結構動力特性參數，并通過建立動態參數與性能指標的關聯性等效簡化模型對結構抗震能力進行評估。該評價系統旨在對加固改造后既有鋼筋混凝土結構進行較快速可靠的抗震性能評估，其可靠性和適用性通過某加固改造工程實例進行驗證。

1 基于微振動檢測的既有建筑結構抗震性能評估體系

如圖1所示基于微振檢測的既有結構抗震性能評估系統示意圖，其基本思想是在既有結構安裝智能傳感設備，拾取由地脈動引起的結構的響應，利用動態數據采集儀對數據進行處理分析，并通過基于LabVIEW平臺的數據分析軟件進行識別動力特性參數，建立參數與性能指標的關聯性，進而對結構抗震能力進行評估。該系統的關鍵技術問題如下所述。

圖1 基于微振動檢測的既有結構抗震性能評估體系示意圖Fig.1 Assessment system of seismic capacity for existing buildings based on ambient vibration measurement

1.1 傳感及數據采集設備

為通過地脈動檢測得到精度較高的既有建筑物動力特性參數，高精密的傳感設備及信號采集儀器是重要的保障。本系統中采用由中國地震局工程力學研究和北京騰晟橋康科技有限公司合作開發生產的QZ2013型力平衡加速度加速度計及G01N ET-2高精度多通道動態數據采集儀，如圖2所示。

圖2 傳感設備和動態數據采集儀Fig.2 Acceleration sensor and data acquisition instrument

該傳感設備為三分量輸出差容式動圈換能式力平衡加速度計，測量范圍為±2.0g，加速度分辨率為0.000 002g，靈敏度為1.1 V/g，動態范圍大于125 dB，橫向靈敏度比小于1%（包括角偏差），零位漂移為2μgn/℃（典型值），圖2中為帶防水保護盒的狀態。

脈動檢測用數據采集儀是一款集成了信號調理模塊和高精度模數轉換模塊的同步數據采集儀，集成了高性能的濾波芯片、積分電路等信號調理模塊，動態范圍大于125 dB，濾波截止頻率可設置，具有積分、直通模式，最小電壓分辨率可達0.005 mV，采樣率為1～10 000 Hz，可對低頻、中頻、高頻微振動事件進行實時采樣，精度較高，可準確采集到地球日常脈動等超微動信號。

1.2 動力特性參數的識別

既有建筑結構處于正常運行狀態時，通常采用僅基于輸出信號的環境激勵下模態試驗分析獲取結構典型動態參數（振動周期、振型、阻尼等），常用的分析方法主要有頻域識別法、時域一步法及時域兩步法［14］。其中，增強型頻域分解法（EFDD）［15］可識別密集模態，不產生虛假固有頻率，且精度較高，適用于樓房、風機塔及橋梁等結構的模態分析。

EFDD法的基本思想：首先將各測點功率譜密度進行奇異值分解，設y（t）為拾取的響應數據，則功率譜矩陣為

式中：w為圓頻率；j為虛數單位；［Σ］為奇異值對角陣；［Ф］奇異向量，表示模態振型；上標H表示共軛轉置。

進而將分解后的單自由度功率譜密度函數進行逆傅里葉變換，最后，在時域內求解相關函數并可直接完成固有頻率和阻尼比的計算。其中，第k階模態的阻尼系數可用自由衰減函數表示為

式中：rok為相關函數的初始值；rpk為第p個峰值。

1.3 關聯性的建立

為快速且可靠（相對保守的結果）的對結構進行評價，可將既有建筑物為鋼筋混凝土框架結構，豎向規則布置且以剪切變形為主，等效簡化為多自由度質點-梁模型（MDOFs），如圖3所示，假定每層的質量mi已知，則可通過2.2節所確定的振動周期，對層間水平剛度ki進行求解。該體系的自由振動方程（忽略阻尼影響）為

圖3 基于微振動檢測的結構簡化模型示意圖Fig.3 Simplified model of structure based on AVM

式中：［M］和［K］分別為結構的整體質量矩陣和剛度矩陣，其中［M］為對角矩陣；和{u}分別為自由振動的加速度向量和位移向量。

則由2.2節現場檢測識別結構模態參數后，可獲得結構的頻率fi和相應的振型{Фi}，并帶入式（3）可得：

令α=mj/m1，則可由方程式（4）求出各層間剛度為

式中，M為結構的各樓層的總質量。

式（5）便可建立既有建筑物實測數據與結構抗震評估簡化模型之間的關聯性。據此，可對MDOFs模型進行抗震性能評估。

1.4 抗震性能評估

依據現行抗震規范規定，針對既有建筑物的抗震性能評估主要包括地震作用的選取、抗震設防標準以及性能指標。

首先，既有建筑物往往是服役了一段時期，如果不進行加固改造其后續使用時間要小于設計使用期。也就是說，僅對結構進行抗震性能評估時，若仍按照設計基準期來確定地震作用取值顯然是過于保守的。然而，依據《混凝土結構加固設計規范》［16］（GB 50728—2011）規定，既有結構加固后的使用年限可與設計使用期相同，并且使用年限到期后，當重新進行的可靠性鑒定認為該結構工作正常，仍可繼續延長其使用年限。因此，在本評價體系中仍依據既有建筑物的設計基準期確定的地震作用取值。

其次，既有建筑物的抗震性能目標是該結構經加固改造后抗震能力應達到的目標。需要說明的是，現行抗震規范規定的“三水準”設計原則僅適合丙類建筑的抗震性能目標，文獻［6］依據相關研究成果，將既有建筑結構抗震性能劃分為五個等級，即：①立即使用；②可使用；③修復后使用；④生命安全；⑤防止倒塌。該分級較符合既有建筑結構的特點，可作為所研發評價系統的抗震設防標準。

最后，在抗震設計與評估體系中，結構的損傷、能量、位移、延性等可以較全面地描述結構的抗震能力。其中，層間構件變形、結構整體變形、穩定性等可由層間位移角和整體位移角作為性能指標準確反映，并且和結構的破壞程度有較好的相關性，因此，在所研發評價系統中采用層間位移角作為抗震性能指標。同時，為了工程應用的方便，并且與抗震規范統一，本評價體系采用層間位移角作為抗震性能指標。在已有研究的基礎上，與抗震設防標準對應，文獻［6］所給出的既有建筑結構層間位移角限值如表1所示。

表1 既有建筑結構層間位移角限值Table 1 Limit value of inter-story drift ratio for existing building

2 抗震性能評估系統的研發

2.1 評估體系的實施過程

基于上述對關鍵技術問題的討論，本文所提出基于微振動檢測既有建筑結構加固改造抗震性能評估系統的具體實施過程如圖4所示，其中，虛線框內的內容需進行軟件開發。首先，利用2.1節所述的設備在既有建筑現場進行測點布置并采集微振數據；依據2.2節介紹的方法進行數據處理分析識別結構的動力特性參數；進而，采用2.3節的關聯性建立簡化后的MDOFs模型，由既有建筑結構設計基準期和所處場地確定地震作用取值，并選取合理的動力分析方法（彈性和彈塑性動力時程分析法）開展結構的響應分析；然后，確定該結構的抗震設防標準，并依據相應的抗震性能指標進行評估；最后，給出評估結果，針對該建筑物制定合理的改進措施。

圖4 抗震性能評估體系的實施過程Fig.4 Flowchart for assessment system of seismic capacity

2.2 基于LabVIEW的數據分析軟件

LabVIEW是圖形化的編程語言，具有拖放式界面和友好的編程環境，可調用C語言及MATLAB等，并且具有高度開放的I/O接口，可無縫對接許多儀器，因此，本文基于該平臺進行抗震性能評價系統軟件的編寫，所開發的系統界面如圖5所示。

圖5 既有結構抗震性能評估系統界面Fig.5 The interface of assessment system of seismic capacity for strengthened existing buildings

該軟件中，模態參數識別、層間剛度計算、結構反應分析以及性能評估等步驟均采用C語言進行二次開發。除具備抗震性能評估要求外，還可通過拾取的信號進行實時在線健康監測，其他主要功能如下：

（1）多臺并聯實時同步數據采集。針對同時對多個監測點不同分量的振動進行數據采集，可多臺采集儀通過局域網并聯成高達128通道的同步采集。同時，基于GPS或接收端電腦的時間作為基準時鐘來控制多臺采集器同步采集，并可執行數據采集模塊的定時、觸發或自定義控制循環。

（2）時、頻域分析模塊。此模塊是對實測數據進行時、頻域的處理，主要包括數字濾波、自功率譜平均分析，FFT分析，互功率譜分析，自相關分析、頻率響應函數分析、小波分析，以及對數據的微積分分析，檢測時長內的最大峰值，顯示時域波形等操作。

（3）數據自動存儲功能。對接收到的數據實時進行事件觸發判斷、事件參數分析、數據波形顯示與保存、分析結果顯示與保存，并可自動生成抗震性能評估報告。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某行政樓加固改造工程為6層現澆混凝土框架結構，建設于1994年，如圖6所示，建筑面積約7776 m2，長66 m，寬14 m，建筑高度20.1 m，首層層高3.6 m，標準層層高為3.3 m，場地類型為中軟土，場地類型為Ⅱ類，該工程結構抗震性能目標為7度設防。

圖6 某行政樓目標結構Fig.6 Objective structure of an office building

采用鉆芯修正回彈法檢測柱、梁混凝土抗壓強度等級為C20，經計算，該工程首層及第三層部分柱承載能力不滿足規范要求，其他柱、梁、板承載能力滿足規范要求。故對結構進行加固改造，為進一步延長既有建筑物的使用期限，具體方案如下：對各層加固區域內的柱進行外包型鋼加固，如圖7所示首層平面圖，紅色區域為柱加固區域。同時，該結構加固前后采用本文所研發評估系統進行現場檢測，測點的平面內布置如圖7所示。

圖7 目標結構平面圖及傳感器測點位置示意圖Fig.7 Objective structure of an office building

3.2 地震作用取值

為驗證所開發系統的可靠性，在此次既有結構的地震反應分析中，分別考慮7度設防地震和8度罕遇地震，基巖峰值加速度分別為0.15g和0.3g。在彈塑性時程分析中選取適用于Ⅱ類場地的El Centro波地震動加速度時程，歸一化時程曲線如圖8所示，時間步長為0.02 s，總持時為30 s。

圖8 El Centro波地震動時程曲線Fig.8 Time history curve of EL Centro wave

3.3 模態識別參數對比分析

為進行對比研究，采用ANSYS對該結構進行模態分析以及彈塑性時程分析。

圖9所示為基于所開發系統中的EFDD法對所檢測目標結構加固前后采集的數據進行模態參數識別的頻率及歸一化振型，以及基于有限元數值分析法所得的振型，為節省篇幅，僅列出了前兩階結果。在計算分析中的坐標系如圖7所示，Y為豎直向，X為縱軸水平方向，Z為橫軸水平方向。

從圖9可知，從整體來看，在目標結構加固前后，數值計算的各階模態頻率均比實測值要大，這主要是有限元模型在建模中對目標結構進行了一定程度的簡化，不能體現結構的完整性，并且在材料參數賦值中，依據的是設計資料或規范參考值，無法根據服役20多年后目標結構的實際狀態確定。在目標結構加固后，兩種方法所得頻率結果均有所提高，這主要是結構柱外包型鋼后導致結構整體剛度增大的原因。另外，從振型來看，第1階歸一化振型的z向變形明顯大于x向，這與有限元結果基本吻合，同理，第2階為縱軸x向變形為主的振型。

圖9 目標結構模態識別與數值模擬對比（前2階）Fig.9 first and second vibration modes of uncontrolled structure

目標結構前六階自振周期如表2所示，其他階次與前述規律基本類似，此處不再贅述。

表2 目標結構的模態分析數據Table 2 Modal analysis data of the target structure

3.4 抗震性能對比分析

本節將基于現場檢測及數值模擬的計算結果，從層間位移角和結構頂點位移曲線來對工程結構加固前后的抗震性能進行評估。

圖10給出了各工況下目標結構各層的層間位移角分布圖。從圖中不難看出，在兩種設防標準下，微振動檢測法和數值分析法所得的層間位移角的變化規律基本吻合，這主要是數值分析法在建模中材料屬性的取值導致結構的整體剛度要比實際結構偏大；同時，目標結構在加固后的層間位移角較之加固前的層間位移角偏小，且兩種方法之間的差距也有所減小，這說明了對柱的加固措施提升了結構的剛度。從數值上來看，設防地震作用下，在目標結構加固前，兩種方法所計算的層間位移角均超過了表1所規定的“立即使用”的限值1/550，而經加固后，由于整體剛度的增大，提升了該結構的抗震性能，兩種方法所得最大層間位移角均小于限值；在罕遇地震作用下，兩種方法所得結果均能保證“生命安全”（1/100）性能目標。

圖10 各工況下結構各層的層間位移角Fig.10 The inter-story drift under different conditions

圖11所示為各工況下目標結構頂點位移時程曲線，不難發現，兩種計算分析方法以及目標結構加固前后的變化規律與層間位移角的變化規律基本類似。從數值上來看，設防地震作用下，目標結構加固前，微振動檢測法與數值分析法所得的頂點最大位移分別為65 mm和59 mm；加固后分別為57 mm和53 mm。罕遇地震作用下，目標結構加固前，微振動檢測法與數值分析法所得的頂點最大位移分別為86 mm和82 mm；加固后分別為76 mm和71 mm。

圖11 各工況下結構頂點位移時程曲線Fig.11 The displacement time-history curves of structure top node in different condition

綜合所述，該工程結構在加固后具備一定抗震安全裕度，能滿足抗震性能目標。另外，若對工程結構的局部檢測不滿足塑性極限值要求，可在不改變整體結構性能的基礎上進行局部加強。

需要說明的是，本文所研發的基于微振動檢測的性能評估系統的計算結果偏保守，適用于大規模的老齡期既有建筑抗震性能的快速評估，如果利用該系統評估的加固改造后工程結構不能滿足規范要求，則需利用其他評估方法進行校核。

4 結 論

基于微振檢測的評估系統通過現場采集結構微振響應獲得貼近實際的動力特性參數，進而對結構等效簡化后開展抗震性能評估，并基于LabVIEW平臺實現功能嵌入。該系統的主要特點如下：

（1）在LabVIEW平臺完整地建立了抗震性能評估系統，可操作性強，具有較強的實際工程應用價值。

（2）傳感及動態數據采集設備可高精度分辨并采集地脈動的微振動信號，為有效識別實際結構的動力特性參數以及保證等效簡化MDOFs模型的合理性提供數據支撐。

（3）基于等效簡化模型的抗震性能分析，避免了數值建模與設計思路的重復性，尤其對老齡期既有建筑加固前后，其更貼近結構實際性能。同時，大大減少了建立精細化數值建模以及結構反應計算分析的工作量，可為大規模既有老舊建筑物的性能評價提供技術支持。

（4）系統同時開發了多臺并聯實時同步數據采集、數據的時頻域分析模塊以及數據自動存儲功能等，可進一步應用于重大工程結構的實時在線健康監測。

最后，結合實際工程算例，通過與基于ANSYS數值計算的對比分析驗證了其有效性，計算結果表明該系統具備快速完成鋼筋混凝土結構抗震性能評價的能力。但是，對于復雜結構的性能評價還需進一步通過實際工程驗證。