基于结构动力特性安全性检测的发展及应用现状

刘 阳，仲崇梅，范国庆，徐 魏

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

0 引言

一些建筑物在使用期间由于自然灾害或人为因素会受到各种程度的结构损伤，直接影响建筑物的正常使用，一旦发生事故，将对人民的生命财产造成极大损失。评价结构损伤后建筑能否继续使用，是目前急切需要解决的问题，因此确定结构的实际工作状态，进而保证结构的可靠性是必要的。目前，关于结构安全性和可靠性评价，通常有两个方向：一是基于可靠度理论；二是基于柔度变化的损伤定位方法。但是，对于结构动力特性与结构构件安全性的评价之间关系还不是很清晰。因此，通过对构件的动力特性测试，获取动力特性参数，并与理论计算结果进行比较分析，以此来寻找影响结构动力特性的因素，并研究动力特性对构件安全性评定的影响。

1 国内外研究现状

1.1 国内研究现状

1990年，国内有学者开始提及可靠度理论[1]，直到2000年，结构安全性评定也仍然主要以可靠性理论为基础[2]。工程结构的动力可靠性与整体可靠性，是研究者和工程师们普遍关心的重要问题。有学者提出整体结构的可靠指标β，主张一般总小于一个构件的可靠指标[3]的理论，因此，利用结构构件的可靠度评价整体结构有一定的误差。一些学者提出了基于可靠性的在役混凝土结构剩余使用寿命的评估准则，建立在役混凝土结构在不同的维护与加固程度下结构剩余使用寿命的预测模型[4]，并对钢筋混凝土结构构件进行了结构剩余使用寿命的计算，结果证明可以通过适当的维护或加固措施延长结构的使用寿命。随后出现了利用结构整体极限状态方程近似计算结构体系可靠度的新趋势[5－7]，利用静力可靠度的方法对现浇钢筋混凝土平面框架进行抗震可靠度分析，以此计算出结构的失效概率。

目前，对于结构安全性评定，普遍采用的方法仍是基于柔度变化的损伤定位方法。对利用模态分析的结构损伤检测方法进行研究，结果表明原始刚度、质量和振型是影响结构的频率变化的因素，也证明了结构中的每一个部位的物理特性对结构的模态参数均有不同的影响，此影响构成了模态分析识别结构损伤的基础。虽然结构的频率变化包含了结构损伤程度和位置信息，然而其频率变化仅是与结构损伤的位置有关的量，故可以用来进行结构损伤定位的判定[8]。国内安全性鉴定标准大多是建立在各构件的检测基础上的，主要由检测构件的变形、损伤、材料性能等参数直接确定结构的安全性。若要获得结果柔度矩阵的估计，一般在低阶模态下可以保证一定的精度[9]。在结构损伤识别研究中，确定损伤位置是进行损伤定量研究的基础，也是决定损伤识别最终能否成功实现的关键。

1.2 国外研究现状

对于结构柔度分析，1991年，国外学者发现了模态曲率指标与损伤之间的相关性[10]。并有学者将曲率模态指标用于识别预应力混凝土桥梁的损伤，提出了“曲率损伤因子[11]”。随后通过结合神经网络方法和模态曲率数据进行了梁式桥的损伤识别[12]。然而一些学者也证明了模态柔度比固有频率和模态振型对损伤更加敏感[13]。因此国外学者提出模态柔度变化率的损伤识别方法[14]。

2 结构动力检测技术简介

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他质量问题，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，学者们普遍认为结构动力检测是一种很有前途的检测方法，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。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，从而满足人们不断提高的需求。对服役结构进行健康监测和损伤检测时，首要任务是确定结构中是否有损伤。只有获得结构损伤的全部信息，才可以对服役结构的健康状况进行合理的评估，判断结构的剩余寿命，从而决定需要采取的措施。

目前，损伤识别大多采用试验模态分析技术，即通过对结构的模态测试，分析结构损伤前后的振动模态参数的变化，以此来判定结构损伤发生的位置、程度以及损伤类型。常用的损伤识别参数有固有频率、阻尼比、振型、振型曲率、应变、应变能、应变模态等[15－20]，其中固有频率是最容易获得的模态参数，而且识别精度比较高，已经得到了应用，国外学者曾经对频率法识别损伤进行过很好的总结[21]。

模态分析法的基本原理是：

无阻尼自由振动方程：

假定结构的损伤主要引起结构刚度特性的变化，而质量特性的变化很小。因此，损伤前后无阻尼自由振动的特征方程可以分别表示为：

式中：ωi、ωdi分别为损伤前后对应的第j阶频率；｛φi｝、｛φ｝di分别为损伤前后对应的第i阶位移模态向量。且有：

由式（2）和式（3）可知，在损伤发生以后，结构的整体刚度矩阵将会发生响应的变化，这必然导致系统模态特征的改变。由式（4）得：

将总体刚度矩阵[K]按各单元刚度矩阵[kn]分解，同时，由位移模态｛φ｝i可得各单元的变形｛εn（φi）｝，此时式（5）可写为

考虑单元损伤程度指标αn的引入，可认为

对于单损伤情况，式（6）可简化为

虽然结构的固有特性（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。利用已有结构的实物或设计图纸，以及所有材料的力学性能数据，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。然而由于诸多原因，如：材料的不均匀性，阻尼机理的复杂性，非线性因素，再加上构件与构件、整体与基础的联结刚度难以确定等因素，使有限元计算的准确性受到一定的限制。而利用现场实测数据得到的结构动力特性是建筑的实际动力特性，因此认为是准确可靠的。

量测建筑物建成以后的完好状态下的结构动力特性数据，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之后再测量结构动力特性，可以从中获得有价值的对比资料。如，房屋结构破坏开裂后，或结构的内部有质量问题时，结构的自振频率就会降低，振型也会改变，因此从结构的自身固有特性的变化情况可以识别建筑物的损伤，也为房屋安全鉴定提供极具说服力的数据支持。

文献[22]利用悬臂梁作为研究对象，对其正常状态以及不同损伤状态进行模态测试。采用了频响函数和固有频率作为结构损伤参数，以此来判定损伤位置与损伤程度，并且就这两种不同的损伤参数的敏感程度进行了对比。结果表明，当梁出现损伤时，其各阶固有频率均有一定的下降，而且频率随着损伤程度的加大而下降越快；当损伤量较小的时候，固有频率变化的并不明显；同时也证明固有频率的变化虽能够发现损伤，但是还不能够真实反映损伤位置，原因是由不同位置的损伤可能引起相同大小的频率变化。因此，梁固有频率的变化与损伤关系的课题有待深入研究。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）建筑物的动力特性虽是建筑物自身固有的特性，但仅从结构固有特性的变化来识别建筑物的质量状况尚存在一定的问题，因此结合静力检测识别等识别手段进行房屋安全性鉴定十分必要，从而使鉴定水平更加全面科学。

（2）现场实测得到的结构动力特性是建筑物建成以后的实际动力特性，通过实测手段对不同类型的建筑物进行测试，从而归纳总结出动力特性与结构安全性评价之间的某种规律，可以方便工程使用。然而，在现实施工中还缺乏系统规范性的工作，大量的实测研究工作有待开展。

（3）随着社会的发展，人们对房屋使用安全提出更高的要求，结构质量检测也将随着社会的发展而发展。因此，寻找更加准确、科学鉴定房屋的安全状况的检测方法势在必行。

3.2 建议

房屋安全性鉴定是结构动力特性在实际工程应用的体现，主要是针对使用过程中的建筑。目前对在建建筑的动力特性检测，即对建设中的建筑构件即时检测，还未形成完善的理论，因此大量的研究工作有待展开。这项研究将及时发现建设中的建筑构件存在的问题，并及时解决问题有着重要的意义。

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