劉 陽，仲崇梅，范國慶，徐 魏

（長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

一些建筑物在使用期間由于自然災(zāi)害或人為因素會受到各種程度的結(jié)構(gòu)損傷，直接影響建筑物的正常使用，一旦發(fā)生事故，將對人民的生命財(cái)產(chǎn)造成極大損失。評價結(jié)構(gòu)損傷后建筑能否繼續(xù)使用，是目前急切需要解決的問題，因此確定結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的可靠性是必要的。目前，關(guān)于結(jié)構(gòu)安全性和可靠性評價，通常有兩個方向：一是基于可靠度理論；二是基于柔度變化的損傷定位方法。但是，對于結(jié)構(gòu)動力特性與結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全性的評價之間關(guān)系還不是很清晰。因此，通過對構(gòu)件的動力特性測試，獲取動力特性參數(shù)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，以此來尋找影響結(jié)構(gòu)動力特性的因素，并研究動力特性對構(gòu)件安全性評定的影響。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1990年，國內(nèi)有學(xué)者開始提及可靠度理論[1]，直到2000年，結(jié)構(gòu)安全性評定也仍然主要以可靠性理論為基礎(chǔ)[2]。工程結(jié)構(gòu)的動力可靠性與整體可靠性，是研究者和工程師們普遍關(guān)心的重要問題。有學(xué)者提出整體結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β，主張一般總小于一個構(gòu)件的可靠指標(biāo)[3]的理論，因此，利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度評價整體結(jié)構(gòu)有一定的誤差。一些學(xué)者提出了基于可靠性的在役混凝土結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的評估準(zhǔn)則，建立在役混凝土結(jié)構(gòu)在不同的維護(hù)與加固程度下結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的預(yù)測模型[4]，并對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)剩余使用壽命的計(jì)算，結(jié)果證明可以通過適當(dāng)?shù)木S護(hù)或加固措施延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。隨后出現(xiàn)了利用結(jié)構(gòu)整體極限狀態(tài)方程近似計(jì)算結(jié)構(gòu)體系可靠度的新趨勢[5－7]，利用靜力可靠度的方法對現(xiàn)澆鋼筋混凝土平面框架進(jìn)行抗震可靠度分析，以此計(jì)算出結(jié)構(gòu)的失效概率。

目前，對于結(jié)構(gòu)安全性評定，普遍采用的方法仍是基于柔度變化的損傷定位方法。對利用模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明原始剛度、質(zhì)量和振型是影響結(jié)構(gòu)的頻率變化的因素，也證明了結(jié)構(gòu)中的每一個部位的物理特性對結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)均有不同的影響，此影響構(gòu)成了模態(tài)分析識別結(jié)構(gòu)損傷的基礎(chǔ)。雖然結(jié)構(gòu)的頻率變化包含了結(jié)構(gòu)損傷程度和位置信息，然而其頻率變化僅是與結(jié)構(gòu)損傷的位置有關(guān)的量，故可以用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷定位的判定[8]。國內(nèi)安全性鑒定標(biāo)準(zhǔn)大多是建立在各構(gòu)件的檢測基礎(chǔ)上的，主要由檢測構(gòu)件的變形、損傷、材料性能等參數(shù)直接確定結(jié)構(gòu)的安全性。若要獲得結(jié)果柔度矩陣的估計(jì)，一般在低階模態(tài)下可以保證一定的精度[9]。在結(jié)構(gòu)損傷識別研究中，確定損傷位置是進(jìn)行損傷定量研究的基礎(chǔ)，也是決定損傷識別最終能否成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

對于結(jié)構(gòu)柔度分析，1991年，國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)了模態(tài)曲率指標(biāo)與損傷之間的相關(guān)性[10]。并有學(xué)者將曲率模態(tài)指標(biāo)用于識別預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的損傷，提出了“曲率損傷因子[11]”。隨后通過結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模態(tài)曲率數(shù)據(jù)進(jìn)行了梁式橋的損傷識別[12]。然而一些學(xué)者也證明了模態(tài)柔度比固有頻率和模態(tài)振型對損傷更加敏感[13]。因此國外學(xué)者提出模態(tài)柔度變化率的損傷識別方法[14]。

2 結(jié)構(gòu)動力檢測技術(shù)簡介

對房屋開展動力測試，利用結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)識別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，由模態(tài)參數(shù)的性狀判定結(jié)構(gòu)質(zhì)量，即為結(jié)構(gòu)動力檢測。結(jié)構(gòu)動力檢測的基本問題是依據(jù)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，測得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，然后識別結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)。建筑物的動力特性是建筑物自身固有的特性，一般是指建筑物的固有頻率（周期）、振型和阻尼比等。建筑物一旦出現(xiàn)損傷或其他質(zhì)量問題，這些參數(shù)也隨之發(fā)生改變。因此，結(jié)構(gòu)動力參數(shù)的改變可以視為結(jié)構(gòu)質(zhì)量發(fā)生變化的標(biāo)志。

當(dāng)前，學(xué)者們普遍認(rèn)為結(jié)構(gòu)動力檢測是一種很有前途的檢測方法，它是結(jié)合系統(tǒng)識別、振動理論、振動測試、信號采集與分析等多學(xué)科的一門測試技術(shù)，它的出現(xiàn)能較好彌補(bǔ)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法存在的諸多缺陷和不足。結(jié)構(gòu)動力檢測屬于結(jié)構(gòu)無損檢測范疇，對一些已建成投入使用，而不便采取破損檢測手段的工程結(jié)構(gòu)特別適用，從而滿足人們不斷提高的需求。對服役結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測和損傷檢測時，首要任務(wù)是確定結(jié)構(gòu)中是否有損傷。只有獲得結(jié)構(gòu)損傷的全部信息，才可以對服役結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行合理的評估，判斷結(jié)構(gòu)的剩余壽命，從而決定需要采取的措施。

目前，損傷識別大多采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)，即通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試，分析結(jié)構(gòu)損傷前后的振動模態(tài)參數(shù)的變化，以此來判定結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置、程度以及損傷類型。常用的損傷識別參數(shù)有固有頻率、阻尼比、振型、振型曲率、應(yīng)變、應(yīng)變能、應(yīng)變模態(tài)等[15－20]，其中固有頻率是最容易獲得的模態(tài)參數(shù)，而且識別精度比較高，已經(jīng)得到了應(yīng)用，國外學(xué)者曾經(jīng)對頻率法識別損傷進(jìn)行過很好的總結(jié)[21]。

模態(tài)分析法的基本原理是：

無阻尼自由振動方程：

假定結(jié)構(gòu)的損傷主要引起結(jié)構(gòu)剛度特性的變化，而質(zhì)量特性的變化很小。因此，損傷前后無阻尼自由振動的特征方程可以分別表示為：

式中：ωi、ωdi分別為損傷前后對應(yīng)的第j階頻率；｛φi｝、｛φ｝di分別為損傷前后對應(yīng)的第i階位移模態(tài)向量。且有：

由式（2）和式（3）可知，在損傷發(fā)生以后，結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣將會發(fā)生響應(yīng)的變化，這必然導(dǎo)致系統(tǒng)模態(tài)特征的改變。由式（4）得：

將總體剛度矩陣[K]按各單元剛度矩陣[kn]分解，同時，由位移模態(tài)｛φ｝i可得各單元的變形｛εn（φi）｝，此時式（5）可寫為

考慮單元損傷程度指標(biāo)αn的引入，可認(rèn)為

對于單損傷情況，式（6）可簡化為

雖然結(jié)構(gòu)的固有特性（自振頻率、振型、阻尼比）都可以通過理論計(jì)算求得，但通過測試得到的動力特性仍然具有重要意義。利用已有結(jié)構(gòu)的實(shí)物或設(shè)計(jì)圖紙，以及所有材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，原則上可以用有限元分析等數(shù)值計(jì)算方法求出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。然而由于諸多原因，如：材料的不均勻性，阻尼機(jī)理的復(fù)雜性，非線性因素，再加上構(gòu)件與構(gòu)件、整體與基礎(chǔ)的聯(lián)結(jié)剛度難以確定等因素，使有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性受到一定的限制。而利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得到的結(jié)構(gòu)動力特性是建筑的實(shí)際動力特性，因此認(rèn)為是準(zhǔn)確可靠的。

量測建筑物建成以后的完好狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動力特性數(shù)據(jù)，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之后再測量結(jié)構(gòu)動力特性，可以從中獲得有價值的對比資料。如，房屋結(jié)構(gòu)破壞開裂后，或結(jié)構(gòu)的內(nèi)部有質(zhì)量問題時，結(jié)構(gòu)的自振頻率就會降低，振型也會改變，因此從結(jié)構(gòu)的自身固有特性的變化情況可以識別建筑物的損傷，也為房屋安全鑒定提供極具說服力的數(shù)據(jù)支持。

文獻(xiàn)[22]利用懸臂梁作為研究對象，對其正常狀態(tài)以及不同損傷狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)測試。采用了頻響函數(shù)和固有頻率作為結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)，以此來判定損傷位置與損傷程度，并且就這兩種不同的損傷參數(shù)的敏感程度進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，當(dāng)梁出現(xiàn)損傷時，其各階固有頻率均有一定的下降，而且頻率隨著損傷程度的加大而下降越快；當(dāng)損傷量較小的時候，固有頻率變化的并不明顯；同時也證明固有頻率的變化雖能夠發(fā)現(xiàn)損傷，但是還不能夠真實(shí)反映損傷位置，原因是由不同位置的損傷可能引起相同大小的頻率變化。因此，梁固有頻率的變化與損傷關(guān)系的課題有待深入研究。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）建筑物的動力特性雖是建筑物自身固有的特性，但僅從結(jié)構(gòu)固有特性的變化來識別建筑物的質(zhì)量狀況尚存在一定的問題，因此結(jié)合靜力檢測識別等識別手段進(jìn)行房屋安全性鑒定十分必要，從而使鑒定水平更加全面科學(xué)。

（2）現(xiàn)場實(shí)測得到的結(jié)構(gòu)動力特性是建筑物建成以后的實(shí)際動力特性，通過實(shí)測手段對不同類型的建筑物進(jìn)行測試，從而歸納總結(jié)出動力特性與結(jié)構(gòu)安全性評價之間的某種規(guī)律，可以方便工程使用。然而，在現(xiàn)實(shí)施工中還缺乏系統(tǒng)規(guī)范性的工作，大量的實(shí)測研究工作有待開展。

（3）隨著社會的發(fā)展，人們對房屋使用安全提出更高的要求，結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測也將隨著社會的發(fā)展而發(fā)展。因此，尋找更加準(zhǔn)確、科學(xué)鑒定房屋的安全狀況的檢測方法勢在必行。

3.2 建議

房屋安全性鑒定是結(jié)構(gòu)動力特性在實(shí)際工程應(yīng)用的體現(xiàn)，主要是針對使用過程中的建筑。目前對在建建筑的動力特性檢測，即對建設(shè)中的建筑構(gòu)件即時檢測，還未形成完善的理論，因此大量的研究工作有待展開。這項(xiàng)研究將及時發(fā)現(xiàn)建設(shè)中的建筑構(gòu)件存在的問題，并及時解決問題有著重要的意義。

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