近几年来,地震、台风自然灾害与火灾、爆炸等人为因素已对既有房屋造成了不同程度的损伤甚至破坏。

其次,当前房屋结构正朝着高层次、大柔度方向发展,因此在风载、地震荷载及周围环境作用下可能会产生危险振动。

再者,房屋在施工过程中,由于被偷工减料等原因未能达到设计要求,还有房屋使用过程中的随意改造等,致使房屋使用安全难以得到保证。

房屋安全不容忽视,它是直接关系人民生命财产和安居乐业的大事,特别是近年来以人为本发展新概念的深入人心,使人们对房屋使用安全提出了更高的要求。社会的发展,对房屋安全鉴定水平提出了新要求,结构质量检测是房屋安全鉴定的主要手段,这要求我们要全面做好房屋的质量检测工作。

因此,作为结构质量检测重要手段的结构动力检测技术也应运而生,而且表现出了很大的发展潜力和发展空间。本文就是从结构质量检测角度出发,结合工程实例,论述开展结构动力检测是提高房屋安全鉴定水平的重要手段和方法

1、结构动力检测技术

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。

2、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。

3、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。

4、结论与建议

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。 

5）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。