朱日新

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510555）

建筑物動力特性指的是建筑物振動周期、阻尼比、振型，當(dāng)建筑物投入使用后，它的動力特性參數(shù)不會出現(xiàn)明顯的變化，但建筑物在未來使用時容易受到荷載和內(nèi)外環(huán)境的影響，相關(guān)參數(shù)可能有所改變。在建筑檢測鑒定過程中，分析動力特性參數(shù)，對參數(shù)加以測試，采用有效的檢測方法可以讓檢測鑒定結(jié)果更有說服力。

1 動力特性測試技術(shù)的應(yīng)用原理

1.1 動力特性理論分析

有研究人員將動力特性測試用于建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的性能研究上，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)展開動力特性測試，從中得到結(jié)構(gòu)自振頻率，并將其與有限元分析結(jié)果相比較，驗(yàn)證建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗震性能。為了更好地開展建筑動力特性測試，使用有限元分析方法計(jì)算建筑自振特性，通過線彈性辦法，應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)有限元軟件確立建筑空間計(jì)算模型。以某房屋結(jié)構(gòu)為例，使用3D-beam單元模擬將房屋結(jié)構(gòu)劃分成不同單元和節(jié)點(diǎn)，并規(guī)定了相關(guān)界面參數(shù)和邊界條件，向有關(guān)人員提供竣工資料。應(yīng)用Midas Civil程序內(nèi)的特征值分析控制功能，采用子空間迭代法對建筑結(jié)構(gòu)的動力特性理論加以分析，從而了解了建筑房屋結(jié)構(gòu)的振型、頻率以及固有周期等動力特性。使用一致質(zhì)量法對模態(tài)振型加以計(jì)算，軟件自動生成振型圖[1]。

1.2 測試與分析方法

為了達(dá)到良好的測試效果，應(yīng)用DASP-V11數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用計(jì)算機(jī)和拾振器對建筑物結(jié)構(gòu)展開動力特性測試分析。當(dāng)前，常規(guī)的房屋結(jié)構(gòu)動態(tài)特性識別辦法主要有時域分析法、頻域分析法。其中，頻域分析法也是增強(qiáng)型頻域分析方法，以響應(yīng)功率譜為核心，對奇異值展開分解研究，并將其分解為單自由度系統(tǒng)功率譜。與時域分析法相比，頻域分析法的計(jì)算精度更高、抗干擾能力更強(qiáng)，在應(yīng)用時不會出現(xiàn)虛假模態(tài)，操作起來十分簡單。所以文章決定使用頻域分析法對建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別。

雖然房屋建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比以及振型等參數(shù)可以通過理論計(jì)算得到，但通過測試計(jì)算出的動力特性仍然擁有重要的意義。如果已經(jīng)有了建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖或設(shè)計(jì)圖，并掌握了材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，原則上可使用有限元分析法計(jì)算房屋結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。出于多方影響因素，人們難以確定材料不均勻性、阻尼復(fù)雜性、建筑基礎(chǔ)與地基連接剛度，利用現(xiàn)場實(shí)測獲得建筑結(jié)構(gòu)的動力特性，為建筑物建成后提供實(shí)力動力特性參考，這樣的動力測試是具有理論依據(jù)的[2]。

2 動力特性測試技術(shù)在建筑工程檢測鑒定中的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)材料測量和結(jié)構(gòu)動力檢測

應(yīng)用智能數(shù)據(jù)信號處理系統(tǒng)，通過頻域分析法獲得房屋結(jié)構(gòu)阻尼比、振型、固有頻率等動力特性參數(shù)，聯(lián)系現(xiàn)場實(shí)際測量結(jié)果，得出房屋結(jié)構(gòu)模態(tài)圖。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)地勘察，將現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和設(shè)計(jì)圖對比，保證建筑物結(jié)構(gòu)主要布置和施工圖一致，允許構(gòu)件尺寸擁有20mm左右的偏差。以某房屋為例，經(jīng)勘查得知房屋北立面沉降縫處墻面已經(jīng)開裂，造成這一問題的原因主要是沉降縫處理問題。整個房屋的主體結(jié)構(gòu)沉降情況良好，沒有產(chǎn)生不均勻沉降或開裂，所以該建筑地基基礎(chǔ)沒有嚴(yán)重的靜載缺陷問題，也沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件露筋或者蜂窩等質(zhì)量問題。

采用回彈-鉆芯綜合法抽檢房屋框架柱和梁的混凝土強(qiáng)度，采用鉆芯對其進(jìn)行修正。測試結(jié)果顯示，部分測點(diǎn)的混凝土強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，混凝土碳化程度較深。為了提高傳統(tǒng)檢測與鑒定方法的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對房屋建筑的全方位評定，應(yīng)用脈動法對房屋內(nèi)的大型設(shè)備進(jìn)行動力測試，使用SVSA振動信號采集分析儀和加速度傳感器，測試得到南北向平移振動信號、東西向平移振動信號以及樓板豎向振動信號。計(jì)算出建筑結(jié)構(gòu)第一自振頻率是1.814Hz，按照建筑物混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)公式，可得出該建筑物的第一自振頻率范圍為1.786～2.381Hz。實(shí)測頻率超過經(jīng)驗(yàn)公式的取值，實(shí)測周期較短，所以這樣的測試結(jié)果屬于正常，整個建筑物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。因設(shè)備運(yùn)行引起的建筑樓面最大振幅達(dá)到0.032mm時，該測試值符合國際建筑振動標(biāo)準(zhǔn)。建筑樓面振動最大加速度測試結(jié)果為7.71cm/s2，結(jié)果小于建筑物允許振動值，因此該建筑物樓板的振動情況良好，處于安全限度范圍內(nèi)，短期時間內(nèi)不會出現(xiàn)安全事故威脅。

2.2 阻尼比在歷史建筑保護(hù)性監(jiān)測中應(yīng)用

建筑物施工中，阻尼比是計(jì)算地震反應(yīng)的重要參數(shù)。阻尼比不能經(jīng)過理論計(jì)算得出，只能在現(xiàn)場實(shí)際測量與分析中計(jì)算出來，結(jié)構(gòu)阻尼比發(fā)生變化是判斷建筑物結(jié)構(gòu)是否受損的參考依據(jù)，將阻尼比作為評判標(biāo)準(zhǔn)，可探究歷史建筑物的保護(hù)性，實(shí)現(xiàn)對歷史建筑的有效監(jiān)測。大多數(shù)歷史建筑的施工材料在建造工藝上十分精美，與現(xiàn)代化建筑用到的施工材料差異較大。歷史建筑外觀造型獨(dú)特，內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，且施工材料在性能上有所退化，所以人們難以使用有限元軟件進(jìn)行模擬分析。此外，有限元模擬的材料結(jié)構(gòu)模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)模型存在差別，假定邊界條件和實(shí)際不相符，網(wǎng)格劃分精度也會導(dǎo)致有限元模擬分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

對某個大型古建筑進(jìn)行保護(hù)監(jiān)測時，采用阻尼比測試即可了解建筑的動力特性。該古建筑至今已建900年，建筑高67.31m，應(yīng)用雙筒式木質(zhì)結(jié)構(gòu)，下層修建了磚石臺基。在沒有游客游覽的前提下，研究人員對該建筑進(jìn)行動力特性測試，計(jì)算出古建筑南北向與東西向的阻尼比。在南北向選取10個測點(diǎn)，共3個振型，一階時測點(diǎn)均值為7.02%，二階時測點(diǎn)均值為3.21%，三階時測點(diǎn)均值2.89%。在建筑東西向選取10個測點(diǎn)，共3個振型，一階時測點(diǎn)均值為7.07%，二階時測點(diǎn)均值為3.31%，三階時測點(diǎn)均值為2.15%。經(jīng)對比分析得知，南北向一階、二階振型阻尼比較大，該建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可能有所松動，建筑結(jié)構(gòu)整體性有所下降，建議有關(guān)單位對該古建筑展開進(jìn)一步的安全性鑒定，并采取有效措施保證建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]。

2.3 頻率在建筑結(jié)構(gòu)異常振動檢測鑒定中應(yīng)用

因生產(chǎn)設(shè)備使用時會出現(xiàn)振動效果，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生異常振動，對這類振動展開動力特性檢測鑒定時，動力特性測試技術(shù)就是十分必要的檢測手段。如果樓層中帶有振動設(shè)備，振動設(shè)備出現(xiàn)異常振動有兩方面原因：一方面，設(shè)備激振力頻率和結(jié)構(gòu)構(gòu)件固有頻率相一致，因此而產(chǎn)生共振；另一方面，結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身剛度不足，在強(qiáng)迫振動的情況下容易出現(xiàn)較大程度的振幅。某工廠排風(fēng)樓屬于2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓蓋處有多臺風(fēng)機(jī)設(shè)備，設(shè)備運(yùn)行時樓蓋區(qū)域有明顯振感?，F(xiàn)場勘測時找出振感比較明顯的位置，在該處安裝豎向拾振器，測試風(fēng)機(jī)運(yùn)行時強(qiáng)迫振動頻率。測點(diǎn)1的強(qiáng)迫振動頻率為16.25Hz；測點(diǎn)2的強(qiáng)迫振動頻率為18.25Hz、出于生產(chǎn)需要，風(fēng)機(jī)設(shè)備不能停機(jī)，所以現(xiàn)場不能對構(gòu)件自振頻率展開測試，只能按照建筑結(jié)構(gòu)布置和荷載情況，對主梁、板、次梁位置的固有頻率展開計(jì)算，計(jì)算時需要用到有限元分析軟件。部分主梁自振頻率最大為20.89Hz，部分次梁自振頻率最大為15.85Hz，部分構(gòu)件固有頻率和強(qiáng)迫振動頻率比值最低為0.75，最大為1.25，該共振范圍內(nèi)存在共振現(xiàn)象，尋找風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行時發(fā)生共振的構(gòu)件，能夠?yàn)榻酉聛淼臋z測鑒定提供參考依據(jù)。

2.4 振型與阻尼比在新型建筑結(jié)構(gòu)性能鑒定中應(yīng)用

近年來，我國建筑施工技術(shù)發(fā)展態(tài)勢良好，各類新型結(jié)構(gòu)不斷產(chǎn)生，有限元分析方法和縮尺振動臺試驗(yàn)方法是常見的結(jié)構(gòu)研究方法。某建筑是新型鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用相關(guān)理論對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能加以分析，對建筑進(jìn)行2次動力特性測試，即主體結(jié)構(gòu)完成但砌筑填充墻未完成的階段、填充墻完成砌筑階段。以橫向振型為例，分析2次振型測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)沒有填充墻的結(jié)構(gòu)振型更飽滿，有填充墻的結(jié)構(gòu)振型延性較大；有填充墻和沒有填充墻的一階振型阻尼比比值為橫向?yàn)?.21，縱向?yàn)?.12。也就是說，在有填充墻的前提下增加建筑結(jié)構(gòu)阻尼比，會提高建筑結(jié)構(gòu)耗能能力。

3 總結(jié)

文章從房屋結(jié)構(gòu)、歷史建筑物、工業(yè)廠房建筑物等方面入手，探究動力特性測試技術(shù)的應(yīng)用必要性，其在歷史建筑保護(hù)性監(jiān)測中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為今后歷史建筑結(jié)構(gòu)的安全鑒定提供技術(shù)支撐。生產(chǎn)設(shè)備因振動而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)異常振動，在這一情況下的檢測鑒定中，需要使用動力特性測試手段，對結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)加以分析，找出異常振動的產(chǎn)生原因，從而實(shí)現(xiàn)對問題的科學(xué)處理。