從理論、應用到實例，多維度講解房屋結構動力檢測技術的應用及未來發展。

概念及原理

對房屋開展動力測試,利用結構動力響應識別結構模態參數,由模態參數的性狀判定結構質量,即為結構動力檢測。結構動力檢測的基本問題是依據結構的動力響應,測得結構模態參數,然后識別結構當前狀態。

建筑物的動力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的固有頻率(周期)、振型和阻尼比等。建筑物一旦出現損傷或其它質量問題,這些參數也隨之發生改變。因此,結構動力參數的改變可以視為結構質量發生變化的標志。

當前,結構動力檢測被普遍認為是一種很前途的檢測方法,它是結合系統識別、振動理論、振動測試、信號采集與分析等多學科的一門測試技術,它的出現能較好彌補傳統的經驗方法存在的諸多缺陷和不足。特別是近年來,隨著能夠滿足結構檢測要求的強大試驗和分析處理工具的出現,高效模塊化、數字化的結構動力響應量測技術已為結構動力檢測的實現提供了強大的支持,使得結構動力檢測技術已走向成熟,在土木工程領域的應用已日趨廣泛,不但是大學、科研機構,而且許多工程質量檢測單位也已逐步開始使用。

結構動力檢測方法優點很多,如該方法可以不受結構規模、復雜性及隱蔽性的限制,只要在可達到的結構位置安裝動力響應傳感器即可。另外,結構動力檢測屬于結構無損檢測范疇,對一些已建成投入使用,而不便采取破損檢測手段的工程結構特別適用,滿足人們需求標準不斷提高的需求。

工程應用及意義

雖然結構的自振頻率、振型、阻尼比都可以通過理論計算求得,但通過測試得到的動力特性仍然具有重要意義。如果已經有了結構的實物或設計圖紙,并掌握所有材料的力學性能數據,那么原則上可以用有限元分析等數值計算方法求出結構的模態參數。

然而由于諸方面的原因,例如:非線性因素,材料的不均勻性,阻尼機理的復雜性,再加上構件與構件、整機與基礎、基礎與地基的聯結剛度難以確定等等,使有限元計算的準確性(甚至于可能性)受到限制。利用現場實測得到的結構動力特性是建筑物建成后的實際動力特性,因此是準確可靠的。

建筑物建成以后完好狀態下量測得到的結構動力特性數據,可作為基本技術檔案保存。建筑物一旦遭受地震等自然災害或使用了一定的年限以后,再進行測量,可以從中獲得寶貴的對比資料。

比如,房屋結構破壞開裂后或結構內部有質量問題時,結構的自振周期會加長,振型會改變等,從結構的自身固有特性的變化可以識別建筑物的損傷,為房屋安全鑒定提供強有力的數據支持。當然,動力特性實測作為安全鑒定的一個手段,還要與其他鑒定方法一起工作,全面分析,綜合評定,才能得到滿意的結果,增加判定的科學性和準確性,提高房屋安全鑒定技術水平。

如若沒有房屋建成以后完好狀態下的動力特性數據,我們可以根據測量大量相同類型房屋的情況,歸納實測經驗公式,通過實測與經驗公式(實測或規范經驗公式)取值的對比,同樣可以從某個范圍上較好評價房屋的安全性。因為這方面尚缺少國家相應標準,致使該檢測方法的應用受到一定的限制,但是動力檢測還是能彌補傳統檢測很多方面的不足,在實際的工程應用中也得到了很好的效果。

工程應用實例

工程概況

某工廠一期主廠房共有7層,建于1986年,建筑面積約11475m2,建筑高度約38.6m,結構平面呈矩形,總長度105米,總跨度18米,縱向柱間距7.5米,橫向柱間距9米。廠房采用鋼筋混凝土框架結構,基礎采用樁基礎,樓屋面板均為現澆鋼筋混凝土板。

因該工廠二期擴建工程的需要,需對標高28.800m第①至第③軸的局部樓板結構進行改造。為了確認現有結構是否安全,現對該工廠一期主廠房結構進行房屋安全鑒定,并提出處理建議。

檢測鑒定內容及結果

01 房屋現場查勘

經現場調查,并與原設計圖紙核對,該結構主要結構布置情況基本與原施工圖一致,構件尺寸偏差*大值為+20mm,-4mm,除個別截面尺寸(梁高)偏大較多外,其它構件截面尺寸符合現行規范要求。

通過現場勘察,發現北立面沉降縫處墻面開裂嚴重,這一現象可能與沉降縫處理不當有關。房屋主體結構的沉降狀況良好,沒有發現明顯的不均勻沉降、傾斜和開裂,所以判定該廠房地基基礎無嚴重靜載缺陷。結構內部也沒有發現明顯的裂縫或較大的撓度等影響結構安全使用的狀況。該結構的施工質量總體較好,未發現構件露筋、蜂窩等施工質量問題。

02 傾斜測量

在現場使用全站儀對該房屋的整體傾斜程度進行了觀測,傾斜率*大值為0.039%,此時側向位移量為15mm。根據國家危險房屋鑒定標準第4.2.3條、4.5.4條,房屋的整體傾斜率*值是1%,并且其側向位移量不宜大于房屋高度的1/500;實測結果均小于規范規定框架結構整體傾斜率和側向位移的控制值。

03 結構材料檢測

為了評定現有混凝土強度,檢測人員現場采用回彈法抽檢了框架梁、柱的混凝土強度,并用鉆芯法進行修正。該結構原設計混凝土構件的標號為300號,回彈結果表明部分測點的混凝土強度未達到原設計混凝土強度值,但這些測點的混凝土碳化深度較深。再結合鉆芯取樣檢測的混凝土強度,認為該結構的混凝土強度基本達到原設計混凝土強度。

04 結構構造措施

該結構為框架結構,抗震等級為二級,根據現場的調查情況,認為其構造措施基本能夠滿足現行規范的要求。

05 結構動力檢測

為了提高傳統檢測鑒定方法的準確程度,做到全面評定房屋的安全狀況,為此開展動力檢測。采用脈動法對一期主廠房在設備運行狀態下進行動力測試,測試設備采用由同濟大學土木工程學院研制的SVSA振動信號采集分析儀,傳感器采用LC0132T內裝IC壓電加速度傳感器。測試分為三個工況,**工況是南北向平移振動信號測試,第二工況為東西向平移振動信號測試,第三工況為樓板豎向振動信號測試。信號數據處理由采集系統配套軟件依靠計算機完成。

根據建筑結構荷載規范經驗公式,可以算得結構的第1自振頻率為1.814Hz,根據高層建筑混凝土結構技術規程經驗公式,可以算得結構第1自振頻率范圍1.786~2.381Hz。

由測試結果可以看出,實測頻率值大于經驗公式取值,即實測周期比經驗周期短,認為測試結果正常,當前廠房結構狀態良好。由實測得出的基本周期比經驗周期短的原因,是因為脈動測試時結構處于微小振幅下,而且經驗公式也是由大量的設計計算結果總結所得,設計計算時數學模型的簡化對周期有影響,加上計算采用的*大荷載,通常都大于實際結構重量,因而實測所得的基本周期會比計算所得的短,通常也小于經驗公式所得值。相反,如若實測周期較明顯大于經驗公式值,則說明結構很可能存在某方面的問題。

廠房結構在機器設備時其阻尼比未明顯增大,說明該結構無明顯的內部質量損傷。另外,設備運行引起的樓面*大振幅為0.032mm,其值小于ISO推薦及聯邦德國(DIN4150)的建筑振動標準;樓面振動*大加速度為7.71cm/s2,其值小于日本煙中元弘歸納的建筑物允許振動界限值。參照國外標準,由測試結果認為樓板振動在安全限度內。

結構驗算

該工程抗震設防類別為丙類,抗震等級為二級,結構安全等級為二級,結構重要性系數可以取為1.0,抗震設防烈度為7度,設計地震分組為**組,設計基本地震加速度值為0.10g,場地類別為II類。

根據建筑結構荷載規范,基本風壓為0.40KN/m2，地面粗糙度取為B類,基本雪壓0.65KN/m2。有關活荷載標準值取值如下:不上人屋面活載為0.5KN/m2;上人屋面活載為2.0KN/m2;樓板活荷載為3.5KN/m2;樓梯活載為3.5KN/m2;走道活載為2.0KN/m2;其余的具體荷載根據有關規范和具體情況取值。結構驗算分析采用中國建筑科學研究院開發的PKPM程序,由于本文篇幅限制,計算過程及詳細結果略。

計算所得底層中柱軸壓比相對較高,富余量不多。結構標高28.770m處第①~③軸線之間的現澆混凝土樓板的實際配筋基本滿足設計要求,但樓板承載能力沒有富余。檢查原結構竣工圖紙表明原框架柱的實際所配鋼筋均能滿足設計要求。

結構安全性鑒定和加固處理建議

通過對房屋結構現場調查、檢測及結構驗算分析,可得如下結論和建議:

1)根據現場量測,該房屋現狀良好,主要結構和構件尺寸與原設計基本相符,截面尺寸偏差在現行規范允許的范圍內,施工質量較好。

2)根據混凝土回彈和鉆芯取樣的檢測結果,認為結構中的混凝土材料實際強度基本達到原設計強度的要求,但混凝土的碳化深度較深。

3)結構動力測試結果表明,廠房雖已投入使用20多年,但實測頻率值大于經驗公式取值,表明測試結果正常,從結構動力學角度認為結構質量狀況保持良好。

4)對原結構竣工圖紙的檢查表明,該廠房結構的構造措施基本能夠滿足現行規范的要求。

5)建議設置沉降觀測點,以滿足沉降觀測的要求。在以后的使用過程中應注意對沉降的監測,以便及時發現安全隱患,確保結構安全使用。

6)由于混凝土的碳化深度較大,建議對外露的混凝土構件進行粉刷,防止碳化深度繼續增加。

結論與建議

01 隨著社會的發展,以人為本發展新概念的深入人心,人們對房屋使用安全不斷提出更高的要求,更加準確科學鑒定房屋的安全狀況勢在必行,因此,作為房屋安全鑒定重要手段的結構質量檢測也將隨著社會的發展而發展。

02 建筑物的動力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的自振頻率(周期)、振型及阻尼比。從結構固有特性的變化來識別建筑物的質量狀況,結合靜力檢測識別和經驗識別手段,進行房屋安全性鑒定,從而能使鑒定水平更加全面科學,這不失為房屋安全鑒定方面的又一進步。

03 結構動力特性測試只是房屋安全鑒定的一個手段,還要與其他鑒定工作一起進行全面分析,綜合評定才能得到滿意的結果。

04 結構動力特性測試應用前景廣闊,房屋安全性鑒定是其一方面的應用,另外測試的動力特性在驗證理論計算公式、總結規律給出簡易用的結構振動周期計算公式、從實測數據分析建筑物的振動現象、實測得到結構的阻尼比、尋找減小振動的途徑等方面具有重要意義。

05 利用現場實測得到的結構動力特性是建筑物建成后的實際動力特性,因此是準確可靠的。通過實測手段對各種不同類型的建筑物進行測試后,可歸納總結出某個規律,得到計算結構振動周期的經驗公式,方便實用。然而,現實中在這方面還缺乏系統規范性的工作,大量的實測研究工作有待開展。

06 結構動力實測方面的國家規范標準有待擬定和出臺。動力檢測硬件設備可以說已比較成熟,現在面臨的問題是,對實測數據的利用還處于定量的帶有很大經驗性的無章可循的層面上,以至于影響其在實際工程中的應用速度和為人所接受的程度,也因此阻礙著動力檢測技術自身的發展,希望相關方面的規范標準早日出臺。