从理论、应用到实例，多维度讲解房屋结构动力检测技术的应用及未来发展。
概念及原理
对房屋开展动力测试,利用结构动力响应识别结构模态参数,由模态参数的性状判定结构质量,即为结构动力检测。结构动力检测的基本问题是依据结构的动力响应,测得结构模态参数,然后识别结构当前状态。
建筑物的动力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的固有频率(周期)、振型和阻尼比等。建筑物一旦出现损伤或其它质量问题,这些参数也随之发生改变。因此,结构动力参数的改变可以视为结构质量发生变化的标志。
当前,结构动力检测被普遍认为是一种很前途的检测方法,它是结合系统识别、振动理论、振动测试、信号采集与分析等多学科的一门测试技术,它的出现能较好弥补传统的经验方法存在的诸多缺陷和不足。特别是近年来,随着能够满足结构检测要求的强大试验和分析处理工具的出现,高效模块化、数字化的结构动力响应量测技术已为结构动力检测的实现提供了强大的支持,使得结构动力检测技术已走向成熟,在土木工程领域的应用已日趋广泛,不但是大学、科研机构,而且许多工程质量检测单位也已逐步开始使用。
结构动力检测方法优点很多,如该方法可以不受结构规模、复杂性及隐蔽性的限制,只要在可达到的结构位置安装动力响应传感器即可。另外,结构动力检测属于结构无损检测范畴,对一些已建成投入使用,而不便采取破损检测手段的工程结构特别适用,满足人们需求标准不断提高的需求。
工程应用及意义
虽然结构的自振频率、振型、阻尼比都可以通过理论计算求得,但通过测试得到的动力特性仍然具有重要意义。如果已经有了结构的实物或设计图纸,并掌握所有材料的力学性能数据,那么原则上可以用有限元分析等数值计算方法求出结构的模态参数。
然而由于诸方面的原因,例如:非线性因素,材料的不均匀性,阻尼机理的复杂性,再加上构件与构件、整机与基础、基础与地基的联结刚度难以确定等等,使有限元计算的准确性(甚至于可能性)受到限制。利用现场实测得到的结构动力特性是建筑物建成后的实际动力特性,因此是准确可靠的。
建筑物建成以后完好状态下量测得到的结构动力特性数据,可作为基本技术档案保存。建筑物一旦遭受地震等自然灾害或使用了一定的年限以后,再进行测量,可以从中获得宝贵的对比资料。
比如,房屋结构破坏开裂后或结构内部有质量问题时,结构的自振周期会加长,振型会改变等,从结构的自身固有特性的变化可以识别建筑物的损伤,为房屋安全鉴定提供强有力的数据支持。当然,动力特性实测作为安全鉴定的一个手段,还要与其他鉴定方法一起工作,全面分析,综合评定,才能得到满意的结果,增加判定的科学性和准确性,提高房屋安全鉴定技术水平。
如若没有房屋建成以后完好状态下的动力特性数据,我们可以根据测量大量相同类型房屋的情况,归纳实测经验公式,通过实测与经验公式(实测或规范经验公式)取值的对比,同样可以从某个范围上较好评价房屋的安全性。因为这方面尚缺少国家相应标准,致使该检测方法的应用受到一定的限制,但是动力检测还是能弥补传统检测很多方面的不足,在实际的工程应用中也得到了很好的效果。
工程应用实例
工程概况
某工厂一期主厂房共有7层,建于1986年,建筑面积约11475m²,建筑高度约38.6m,结构平面呈矩形,总长度105米,总跨度18米,纵向柱间距7.5米,横向柱间距9米。厂房采用钢筋混凝土框架结构,基础采用桩基础,楼屋面板均为现浇钢筋混凝土板。
因该工厂二期扩建工程的需要,需对标高28.800m第①至第③轴的局部楼板结构进行改造。为了确认现有结构是否安全,现对该工厂一期主厂房结构进行房屋安全鉴定,并提出处理建议。
检测鉴定内容及结果
01 房屋现场查勘
经现场调查,并与原设计图纸核对,该结构主要结构布置情况基本与原施工图一致,构件尺寸偏差*大值为+20mm,-4mm,除个别截面尺寸(梁高)偏大较多外,其它构件截面尺寸符合现行规范要求。
通过现场勘察,发现北立面沉降缝处墙面开裂严重,这一现象可能与沉降缝处理不当有关。房屋主体结构的沉降状况良好,没有发现明显的不均匀沉降、倾斜和开裂,所以判定该厂房地基基础无严重静载缺陷。结构内部也没有发现明显的裂缝或较大的挠度等影响结构安全使用的状况。该结构的施工质量总体较好,未发现构件露筋、蜂窝等施工质量问题。
02 倾斜测量
在现场使用全站仪对该房屋的整体倾斜程度进行了观测,倾斜率*大值为0.039%,此时侧向位移量为15mm。根据国家危险房屋鉴定标准第4.2.3条、4.5.4条,房屋的整体倾斜率*值是1%,并且其侧向位移量不宜大于房屋高度的1/500;实测结果均小于规范规定框架结构整体倾斜率和侧向位移的控制值。
03 结构材料检测
为了评定现有混凝土强度,检测人员现场采用回弹法抽检了框架梁、柱的混凝土强度,并用钻芯法进行修正。该结构原设计混凝土构件的标号为300号,回弹结果表明部分测点的混凝土强度未达到原设计混凝土强度值,但这些测点的混凝土碳化深度较深。再结合钻芯取样检测的混凝土强度,认为该结构的混凝土强度基本达到原设计混凝土强度。
04 结构构造措施
该结构为框架结构,抗震等级为二级,根据现场的调查情况,认为其构造措施基本能够满足现行规范的要求。
05 结构动力检测
为了提高传统检测鉴定方法的准确程度,做到全面评定房屋的安全状况,为此开展动力检测。采用脉动法对一期主厂房在设备运行状态下进行动力测试,测试设备采用由同济大学土木工程学院研制的SVSA振动信号采集分析仪,传感器采用LC0132T内装IC压电加速度传感器。测试分为三个工况,**工况是南北向平移振动信号测试,第二工况为东西向平移振动信号测试,第三工况为楼板竖向振动信号测试。信号数据处理由采集系统配套软件依靠计算机完成。
根据建筑结构荷载规范经验公式,可以算得结构的第1自振频率为1.814Hz,根据高层建筑混凝土结构技术规程经验公式,可以算得结构第1自振频率范围1.786~2.381Hz。
由测试结果可以看出,实测频率值大于经验公式取值,即实测周期比经验周期短,认为测试结果正常,当前厂房结构状态良好。由实测得出的基本周期比经验周期短的原因,是因为脉动测试时结构处于微小振幅下,而且经验公式也是由大量的设计计算结果总结所得,设计计算时数学模型的简化对周期有影响,加上计算采用的*大荷载,通常都大于实际结构重量,因而实测所得的基本周期会比计算所得的短,通常也小于经验公式所得值。相反,如若实测周期较明显大于经验公式值,则说明结构很可能存在某方面的问题。
厂房结构在机器设备时其阻尼比未明显增大,说明该结构无明显的内部质量损伤。另外,设备运行引起的楼面*大振幅为0.032mm,其值小于ISO推荐及联邦德国(DIN4150)的建筑振动标准;楼面振动*大加速度为7.71cm/s²,其值小于日本烟中元弘归纳的建筑物允许振动界限值。参照国外标准,由测试结果认为楼板振动在安全限度内。
结构验算
该工程抗震设防类别为丙类,抗震等级为二级,结构安全等级为二级,结构重要性系数可以取为1.0,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为**组,设计基本地震加速度值为0.10g,场地类别为II类。
根据建筑结构荷载规范,基本风压为0.40KN/m²，地面粗糙度取为B类,基本雪压0.65KN/m²。有关活荷载标准值取值如下:不上人屋面活载为0.5KN/m²;上人屋面活载为2.0KN/m²;楼板活荷载为3.5KN/m²;楼梯活载为3.5KN/m²;走道活载为2.0KN/m²;其余的具体荷载根据有关规范和具体情况取值。结构验算分析采用中国建筑科学研究院开发的PKPM程序,由于本文篇幅限制,计算过程及详细结果略。
计算所得底层中柱轴压比相对较高,富余量不多。结构标高28.770m处第①~③轴线之间的现浇混凝土楼板的实际配筋基本满足设计要求,但楼板承载能力没有富余。检查原结构竣工图纸表明原框架柱的实际所配钢筋均能满足设计要求。
结构安全性鉴定和加固处理建议
通过对房屋结构现场调查、检测及结构验算分析,可得如下结论和建议:
1)根据现场量测,该房屋现状良好,主要结构和构件尺寸与原设计基本相符,截面尺寸偏差在现行规范允许的范围内,施工质量较好。
2)根据混凝土回弹和钻芯取样的检测结果,认为结构中的混凝土材料实际强度基本达到原设计强度的要求,但混凝土的碳化深度较深。
3)结构动力测试结果表明,厂房虽已投入使用20多年,但实测频率值大于经验公式取值,表明测试结果正常,从结构动力学角度认为结构质量状况保持良好。
4)对原结构竣工图纸的检查表明,该厂房结构的构造措施基本能够满足现行规范的要求。
5)建议设置沉降观测点,以满足沉降观测的要求。在以后的使用过程中应注意对沉降的监测,以便及时发现安全隐患,确保结构安全使用。
6)由于混凝土的碳化深度较大,建议对外露的混凝土构件进行粉刷,防止碳化深度继续增加。
结论与建议
01 随着社会的发展,以人为本发展新概念的深入人心,人们对房屋使用安全不断提出更高的要求,更加准确科学鉴定房屋的安全状况势在必行,因此,作为房屋安全鉴定重要手段的结构质量检测也将随着社会的发展而发展。
02 建筑物的动力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的自振频率(周期)、振型及阻尼比。从结构固有特性的变化来识别建筑物的质量状况,结合静力检测识别和经验识别手段,进行房屋安全性鉴定,从而能使鉴定水平更加全面科学,这不失为房屋安全鉴定方面的又一进步。
03 结构动力特性测试只是房屋安全鉴定的一个手段,还要与其他鉴定工作一起进行全面分析,综合评定才能得到满意的结果。
04 结构动力特性测试应用前景广阔,房屋安全性鉴定是其一方面的应用,另外测试的动力特性在验证理论计算公式、总结规律给出简易用的结构振动周期计算公式、从实测数据分析建筑物的振动现象、实测得到结构的阻尼比、寻找减小振动的途径等方面具有重要意义。
05 利用现场实测得到的结构动力特性是建筑物建成后的实际动力特性,因此是准确可靠的。通过实测手段对各种不同类型的建筑物进行测试后,可归纳总结出某个规律,得到计算结构振动周期的经验公式,方便实用。然而,现实中在这方面还缺乏系统规范性的工作,大量的实测研究工作有待开展。
06 结构动力实测方面的国家规范标准有待拟定和出台。动力检测硬件设备可以说已比较成熟,现在面临的问题是,对实测数据的利用还处于定量的带有很大经验性的无章可循的层面上,以至于影响其在实际工程中的应用速度和为人所接受的程度,也因此阻碍着动力检测技术自身的发展,希望相关方面的规范标准早日出台。
