动力特性测试技术在建筑工程检测鉴定中的应用

朱日新

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510555）

建筑物动力特性指的是建筑物振动周期、阻尼比、振型，当建筑物投入使用后，它的动力特性参数不会出现明显的变化，但建筑物在未来使用时容易受到荷载和内外环境的影响，相关参数可能有所改变。在建筑检测鉴定过程中，分析动力特性参数，对参数加以测试，采用有效的检测方法可以让检测鉴定结果更有说服力。

1 动力特性测试技术的应用原理

1.1 动力特性理论分析

有研究人员将动力特性测试用于建筑结构和构件的性能研究上，对钢筋混凝土结构展开动力特性测试，从中得到结构自振频率，并将其与有限元分析结果相比较，验证建筑结构的实际抗震性能。为了更好地开展建筑动力特性测试，使用有限元分析方法计算建筑自振特性，通过线弹性办法，应用建筑结构有限元软件确立建筑空间计算模型。以某房屋结构为例，使用3D-beam单元模拟将房屋结构划分成不同单元和节点，并规定了相关界面参数和边界条件，向有关人员提供竣工资料。应用Midas Civil程序内的特征值分析控制功能，采用子空间迭代法对建筑结构的动力特性理论加以分析，从而了解了建筑房屋结构的振型、频率以及固有周期等动力特性。使用一致质量法对模态振型加以计算，软件自动生成振型图[1]。

1.2 测试与分析方法

为了达到良好的测试效果，应用DASP-V11数据采集系统，使用计算机和拾振器对建筑物结构展开动力特性测试分析。当前，常规的房屋结构动态特性识别办法主要有时域分析法、频域分析法。其中，频域分析法也是增强型频域分析方法，以响应功率谱为核心，对奇异值展开分解研究，并将其分解为单自由度系统功率谱。与时域分析法相比，频域分析法的计算精度更高、抗干扰能力更强，在应用时不会出现虚假模态，操作起来十分简单。所以文章决定使用频域分析法对建筑结构模态参数进行识别。

虽然房屋建筑结构的自振频率、阻尼比以及振型等参数可以通过理论计算得到，但通过测试计算出的动力特性仍然拥有重要的意义。如果已经有了建筑结构的实物图或设计图，并掌握了材料的力学性能数据，原则上可使用有限元分析法计算房屋结构的模态参数。出于多方影响因素，人们难以确定材料不均匀性、阻尼复杂性、建筑基础与地基连接刚度，利用现场实测获得建筑结构的动力特性，为建筑物建成后提供实力动力特性参考，这样的动力测试是具有理论依据的[2]。

2 动力特性测试技术在建筑工程检测鉴定中的应用

2.1 结构材料测量和结构动力检测

应用智能数据信号处理系统，通过频域分析法获得房屋结构阻尼比、振型、固有频率等动力特性参数，联系现场实际测量结果，得出房屋结构模态图。经过现场实地勘察，将现场调查结果和设计图对比，保证建筑物结构主要布置和施工图一致，允许构件尺寸拥有20mm左右的偏差。以某房屋为例，经勘查得知房屋北立面沉降缝处墙面已经开裂，造成这一问题的原因主要是沉降缝处理问题。整个房屋的主体结构沉降情况良好，没有产生不均匀沉降或开裂，所以该建筑地基基础没有严重的静载缺陷问题，也没有发现结构件露筋或者蜂窝等质量问题。

采用回弹-钻芯综合法抽检房屋框架柱和梁的混凝土强度，采用钻芯对其进行修正。测试结果显示，部分测点的混凝土强度没有达到设计要求，混凝土碳化程度较深。为了提高传统检测与鉴定方法的准确性，实现对房屋建筑的全方位评定，应用脉动法对房屋内的大型设备进行动力测试，使用SVSA振动信号采集分析仪和加速度传感器，测试得到南北向平移振动信号、东西向平移振动信号以及楼板竖向振动信号。计算出建筑结构第一自振频率是1.814Hz，按照建筑物混凝土结构相关公式，可得出该建筑物的第一自振频率范围为1.786～2.381Hz。实测频率超过经验公式的取值，实测周期较短，所以这样的测试结果属于正常，整个建筑物的结构状态良好。因设备运行引起的建筑楼面最大振幅达到0.032mm时，该测试值符合国际建筑振动标准。建筑楼面振动最大加速度测试结果为7.71cm/s2，结果小于建筑物允许振动值，因此该建筑物楼板的振动情况良好，处于安全限度范围内，短期时间内不会出现安全事故威胁。

2.2 阻尼比在历史建筑保护性监测中应用

建筑物施工中，阻尼比是计算地震反应的重要参数。阻尼比不能经过理论计算得出，只能在现场实际测量与分析中计算出来，结构阻尼比发生变化是判断建筑物结构是否受损的参考依据，将阻尼比作为评判标准，可探究历史建筑物的保护性，实现对历史建筑的有效监测。大多数历史建筑的施工材料在建造工艺上十分精美，与现代化建筑用到的施工材料差异较大。历史建筑外观造型独特，内部构造复杂，且施工材料在性能上有所退化，所以人们难以使用有限元软件进行模拟分析。此外，有限元模拟的材料结构模型和实际结构模型存在差别，假定边界条件和实际不相符，网格划分精度也会导致有限元模拟分析结果不够准确。

对某个大型古建筑进行保护监测时，采用阻尼比测试即可了解建筑的动力特性。该古建筑至今已建900年，建筑高67.31m，应用双筒式木质结构，下层修建了砖石台基。在没有游客游览的前提下，研究人员对该建筑进行动力特性测试，计算出古建筑南北向与东西向的阻尼比。在南北向选取10个测点，共3个振型，一阶时测点均值为7.02%，二阶时测点均值为3.21%，三阶时测点均值2.89%。在建筑东西向选取10个测点，共3个振型，一阶时测点均值为7.07%，二阶时测点均值为3.31%，三阶时测点均值为2.15%。经对比分析得知，南北向一阶、二阶振型阻尼比较大，该建筑结构节点可能有所松动，建筑结构整体性有所下降，建议有关单位对该古建筑展开进一步的安全性鉴定，并采取有效措施保证建筑内部结构稳定[3]。

2.3 频率在建筑结构异常振动检测鉴定中应用

因生产设备使用时会出现振动效果，导致建筑结构发生异常振动，对这类振动展开动力特性检测鉴定时，动力特性测试技术就是十分必要的检测手段。如果楼层中带有振动设备，振动设备出现异常振动有两方面原因：一方面，设备激振力频率和结构构件固有频率相一致，因此而产生共振；另一方面，结构构件自身刚度不足，在强迫振动的情况下容易出现较大程度的振幅。某工厂排风楼属于2层钢筋混凝土框架结构，楼盖处有多台风机设备，设备运行时楼盖区域有明显振感。现场勘测时找出振感比较明显的位置，在该处安装竖向拾振器，测试风机运行时强迫振动频率。测点1的强迫振动频率为16.25Hz；测点2的强迫振动频率为18.25Hz、出于生产需要，风机设备不能停机，所以现场不能对构件自振频率展开测试，只能按照建筑结构布置和荷载情况，对主梁、板、次梁位置的固有频率展开计算，计算时需要用到有限元分析软件。部分主梁自振频率最大为20.89Hz，部分次梁自振频率最大为15.85Hz，部分构件固有频率和强迫振动频率比值最低为0.75，最大为1.25，该共振范围内存在共振现象，寻找风机设备运行时发生共振的构件，能够为接下来的检测鉴定提供参考依据。

2.4 振型与阻尼比在新型建筑结构性能鉴定中应用

近年来，我国建筑施工技术发展态势良好，各类新型结构不断产生，有限元分析方法和缩尺振动台试验方法是常见的结构研究方法。某建筑是新型钢管混凝土框架结构，应用相关理论对建筑结构的抗震性能加以分析，对建筑进行2次动力特性测试，即主体结构完成但砌筑填充墙未完成的阶段、填充墙完成砌筑阶段。以横向振型为例，分析2次振型测试结果，发现没有填充墙的结构振型更饱满，有填充墙的结构振型延性较大；有填充墙和没有填充墙的一阶振型阻尼比比值为横向为1.21，纵向为1.12。也就是说，在有填充墙的前提下增加建筑结构阻尼比，会提高建筑结构耗能能力。

3 总结

文章从房屋结构、历史建筑物、工业厂房建筑物等方面入手，探究动力特性测试技术的应用必要性，其在历史建筑保护性监测中发挥着至关重要的作用，为今后历史建筑结构的安全鉴定提供技术支撑。生产设备因振动而导致建筑结构异常振动，在这一情况下的检测鉴定中，需要使用动力特性测试手段，对结构动力特性参数加以分析，找出异常振动的产生原因，从而实现对问题的科学处理。