基于動(dòng)力特性測(cè)試的既有建筑結(jié)構(gòu)損傷識(shí)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(dòng)力特性反映了結(jié)構(gòu)體系自身固有的振動(dòng)特性，是評(píng)估結(jié)構(gòu)承載能力和安全裕度的重要參數(shù)，也是識(shí)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(dòng)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(dòng)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(biāo)志。

《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50344—2004）[1]中規(guī)定：對(duì)于重要和大型公共建筑宜進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂等損傷能使結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試的基本周期增大，在振型反應(yīng)中也能反映出來(lái)，同時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試也不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷。對(duì)于大型公共建筑和重要建筑宜在建筑工程竣工驗(yàn)收完成后，使用前和使用后，分別進(jìn)行一次動(dòng)力測(cè)試。并宜在每隔10年左右再進(jìn)行一次動(dòng)力測(cè)試，對(duì)使用30年以上的建筑物宜7年左右進(jìn)行一次動(dòng)力測(cè)試。這些測(cè)試應(yīng)與工程竣工驗(yàn)收完成使用后的動(dòng)力測(cè)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(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)提供依據(jù)。因此，開展基于動(dòng)力特性測(cè)試的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究有其重要意義，而測(cè)試動(dòng)力特性的準(zhǔn)確性是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的關(guān)鍵因素。

1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試原理、流程及特有優(yōu)勢(shì)

1.1 測(cè)試原理

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備和儀器，可依據(jù) 《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]（GB/T 50344—2004） 和 《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]（GB/T 50152—2012）進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際測(cè)量、分析的物理量，是被測(cè)對(duì)象（真實(shí)結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)模型等系統(tǒng)）在一定運(yùn)行環(huán)境中受到某種激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能在某種程度上反映被測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)力性能[3]。通過(guò)對(duì)被測(cè)系統(tǒng)輸入、輸出物理量的測(cè)量和分析來(lái)確定系統(tǒng)的動(dòng)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(cè)試流程

動(dòng)力特性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)由激勵(lì)系統(tǒng)、傳感器和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)組成。動(dòng)力特性測(cè)試項(xiàng)目可包括結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力特性的測(cè)試，結(jié)構(gòu)受振動(dòng)源激勵(lì)后的位移、速度、加速度，動(dòng)應(yīng)變等動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)試，測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選擇不同的測(cè)量參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試是指由傳感器測(cè)得這些非電物理信號(hào)并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、濾波等環(huán)節(jié)，對(duì)信號(hào)作適當(dāng)調(diào)節(jié)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示、記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理的全過(guò)程。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試流程圖

1.3 特有優(yōu)勢(shì)

數(shù)值理論計(jì)算需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，無(wú)法得到精確的動(dòng)力特性，且無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算得到結(jié)構(gòu)阻尼比。實(shí)體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)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(shí)地反映出建筑物實(shí)體結(jié)構(gòu)性能。

結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)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(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)測(cè)，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(cè)試得到的動(dòng)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(jìn)行測(cè)試，可通過(guò)對(duì)比資料，為結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估及損傷識(shí)別提供依據(jù)。

2 測(cè)試過(guò)程中注意事項(xiàng)

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(cè)試結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性時(shí)，測(cè)振傳感器應(yīng)布設(shè)在結(jié)構(gòu)理論振型的峰（谷）點(diǎn)[4]，應(yīng)通過(guò)連續(xù)測(cè)量建筑物所在地的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度來(lái)確定振動(dòng)的特性。

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

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(cè)試方向一致。

測(cè)試過(guò)程中盡量減少環(huán)境、噪聲、局部振動(dòng)及系統(tǒng)的干擾。

應(yīng)保證測(cè)試記錄時(shí)間，在測(cè)量振型和頻率時(shí)不應(yīng)少于5 min，在測(cè)試阻尼時(shí)不應(yīng)小于30 min。

當(dāng)因測(cè)試儀器數(shù)量不足而作多次測(cè)試時(shí)，每次測(cè)試中應(yīng)至少保留一個(gè)共同的參考點(diǎn)。

3 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試數(shù)據(jù)處理后，應(yīng)根據(jù)需要提供被測(cè)試結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比和振型、動(dòng)力反應(yīng)最大幅值、時(shí)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(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)的阻尼比可采用半功率點(diǎn)法或自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，有激勵(lì)條件時(shí)可按時(shí)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(jì)算。

結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)力特性的測(cè)試結(jié)果，可從以下方面對(duì)結(jié)構(gòu)損傷或工作性能進(jìn)行分析和判斷。

結(jié)構(gòu)頻率的實(shí)測(cè)值如果大于理論值（或歷史數(shù)據(jù)），說(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度比理論估算值（或原來(lái)結(jié)構(gòu)剛度）偏大，或?qū)嶋H質(zhì)量比理論估算（或原來(lái)質(zhì)量）偏?。环粗f(shuō)明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度比理論估算（或原來(lái)結(jié)構(gòu)剛度）偏小，或?qū)嶋H質(zhì)量比理論估算（或原來(lái)質(zhì)量）偏大。如結(jié)構(gòu)使用一段時(shí)間后自振頻率減小，則可能存在開裂或其他不正?，F(xiàn)象。

結(jié)構(gòu)振型應(yīng)當(dāng)與計(jì)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(jì)算模型可能存在的誤差，并應(yīng)分析其影響和應(yīng)對(duì)措施。

結(jié)構(gòu)的阻尼比實(shí)測(cè)值如果大于歷史數(shù)據(jù)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)耗散外部輸入能量的能力強(qiáng)，振動(dòng)衰減快；反之說(shuō)明結(jié)構(gòu)耗散外部輸入能量的能力差，振動(dòng)衰減慢；如阻尼比過(guò)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(chǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試過(guò)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(shí)地反映出建筑物實(shí)體結(jié)構(gòu)性能。

通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)（自振頻率、振型和阻尼比等）與理論計(jì)算數(shù)據(jù)（或歷史數(shù)據(jù)）對(duì)比，分析和判斷建筑結(jié)構(gòu)損傷或工作性能。

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

現(xiàn)有模態(tài)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，目前只能有一個(gè)測(cè)點(diǎn)的一個(gè)方向的數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，其他重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)無(wú)法輸入到模型中，有待進(jìn)一步深入研究。

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