雖然結(jié)構(gòu)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(jīng)有了結(jié)構(gòu)的實物或設(shè)計圖紙,并掌握所有材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù),那么原則上可以用有限元分析等數(shù)值計算方法求出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

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(fù)雜性,再加上構(gòu)件與構(gòu)件、整機與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與地基的聯(lián)結(jié)剛度難以確定等等,使有限元計算的準(zhǔn)確性(甚至于可能性)受到限制。利用現(xiàn)場實測得到的結(jié)構(gòu)動力特性是建筑物建成后的實際動力特性,因此是準(zhǔn)確可靠的。
建筑物建成以后完好狀態(tài)下量測得到的結(jié)構(gòu)動力特性數(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(jié)構(gòu)破壞開裂后或結(jié)構(gòu)內(nèi)部有質(zhì)量問題時,結(jié)構(gòu)的自振周期會加長,振型會改變等,從結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)支持。當(dāng)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(jié)果,增加判定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,提高房屋安全鑒定技術(shù)水平。
如若沒有房屋建成以后完好狀態(tài)下的動力特性數(shù)據(jù),我們可以根據(jù)測量大量相同類型房屋的情況,歸納實測經(jīng)驗公式,通過實測與經(jīng)驗公式(實測或規(guī)范經(jīng)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn),致使該檢測方法的應(yīng)用受到一定的限制,但是動力檢測還是能彌補傳統(tǒng)檢測很多方面的不足,在實際的工程應(yīng)用中也得到了很好的效果。
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工程應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),樓屋面板均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。
因該工廠二期擴建工程的需要,需對標(biāo)高28.800m第1至第3軸的局部樓板結(jié)構(gòu)進行改造。為了確認(rèn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是否安全,現(xiàn)對該工廠一期主廠房結(jié)構(gòu)進行房屋安全鑒定,并提出處理建議。
檢測鑒定內(nèi)容及結(jié)果
01 房屋現(xiàn)場查勘
經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,并與原設(shè)計圖紙核對,該結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)布置情況基本與原施工圖一致,構(gòu)件尺寸偏差值為+20mm,-4mm,除個別截面尺寸(梁高)偏大較多外,其它構(gòu)件截面尺寸符合現(xiàn)行規(guī)范要求。
通過現(xiàn)場勘察,發(fā)現(xiàn)北立面沉降縫處墻面開裂嚴(yán)重,這一現(xiàn)象可能與沉降縫處理不當(dāng)有關(guān)。房屋主體結(jié)構(gòu)的沉降狀況良好,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的不均勻沉降、傾斜和開裂,所以判定該廠房地基基礎(chǔ)無嚴(yán)重靜載缺陷。結(jié)構(gòu)內(nèi)部也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫或較大的撓度等影響結(jié)構(gòu)安全使用的狀況。該結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量總體較好,未發(fā)現(xiàn)構(gòu)件露筋、蜂窩等施工質(zhì)量問題。
02 傾斜測量
在現(xiàn)場使用全站儀對該房屋的整體傾斜程度進行了觀測,傾斜率值為0.039%,此時側(cè)向位移量為15mm。根據(jù)國家危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)第4.2.3條、4.5.4條,房屋的整體傾斜率極值是1%,并且其側(cè)向位移量不宜大于房屋高度的1/500;實測結(jié)果均小于規(guī)范規(guī)定框架結(jié)構(gòu)整體傾斜率和側(cè)向位移的控制值。
03 結(jié)構(gòu)材料檢測
為了評定現(xiàn)有混凝土強度,檢測人員現(xiàn)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(jié)構(gòu)原設(shè)計混凝土構(gòu)件的標(biāo)號為300號,回彈結(jié)果表明部分測點的混凝土強度未達(dá)到原設(shè)計混凝土強度值,但這些測點的混凝土碳化深度較深。再結(jié)合鉆芯取樣檢測的混凝土強度,認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的混凝土強度基本達(dá)到原設(shè)計混凝土強度。
04 結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施
該結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu),抗震等級為二級,根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查情況,認(rèn)為其構(gòu)造措施基本能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。
05 結(jié)構(gòu)動力檢測
為了提高傳統(tǒng)檢測鑒定方法的準(zhǔn)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(shè)備運行狀態(tài)下進行動力測試,測試設(shè)備采用由同濟大學(xué)土木工程學(xué)院研制的SVSA振動信號采集分析儀,傳感器采用LC0132T內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器。測試分為三個工況,第一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(shù)據(jù)處理由采集系統(tǒng)配套軟件依靠計算機完成。
根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范經(jīng)驗公式,可以算得結(jié)構(gòu)的第1自振頻率為1.814Hz,根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程經(jīng)驗公式,可以算得結(jié)構(gòu)第1自振頻率范圍1.786~2.381Hz。
由測試結(jié)果可以看出,實測頻率值大于經(jīng)驗公式取值,即實測周期比經(jīng)驗周期短,認(rèn)為測試結(jié)果正常,當(dāng)前廠房結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。由實測得出的基本周期比經(jīng)驗周期短的原因,是因為脈動測試時結(jié)構(gòu)處于微小振幅下,而且經(jīng)驗公式也是由大量的設(shè)計計算結(jié)果總結(jié)所得,設(shè)計計算時數(shù)學(xué)模型的簡化對周期有影響,加上計算采用的荷載,通常都大于實際結(jié)構(gòu)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(jīng)驗公式所得值。相反,如若實測周期較明顯大于經(jīng)驗公式值,則說明結(jié)構(gòu)很可能存在某方面的問題。
廠房結(jié)構(gòu)在機器設(shè)備時其阻尼比未明顯增大,說明該結(jié)構(gòu)無明顯的內(nèi)部質(zhì)量損傷。另外,設(shè)備運行引起的樓面振幅為0.032mm,其值小于ISO及聯(lián)邦德國(DIN4150)的建筑振動標(biāo)準(zhǔn);樓面振動加速度為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(biāo)準(zhǔn),由測試結(jié)果認(rèn)為樓板振動在安全限度內(nèi)。