基于微振动检测的既有建筑物加固改造抗震性能评估系统研发及应用

柳玉印 许文贤 尹训强 卢明全 韩继云

（1.大连久鼎特种建筑工程有限公司，大连 116023；2.大连大学土木工程技术研究与开发中心，大连 116622；3.国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）

0 引言

近些年，地震所造成的房屋破坏留下了许多值得汲取的惨痛教训［1-2］，也使群众对于改善处于老龄期既有建筑抗震性能的愿望强烈。目前，以多层或小高层钢筋混凝土结构为主的城镇老旧小区改造工程正在逐步推进，其中，如何进行快速且可靠评估加固改造后建筑物的抗震性能是值得关注的关键技术问题。

长期以来，国内外针对既有建筑物的抗震性能评估问题开展了广泛的研究工作［3-7］。传统的经验评估法［4］可利用专家丰富的经验进行快速的抗震鉴定，但其可靠性受专家的主观性影响较大；静力弹塑性分析方法［5］（Pushover）是基于静力非线性法引入了地震需求谱和能量谱的概念，该方法计算效率高，易于科研和工程人员掌握；以增量动力时程分析为主的基于性能的抗震性能评估体系日趋完善，可通过建立有限元分析模型较真实反映结构的动力特性，具有较高的可靠性和有效性［6］；然而，所提出的抗震性能评估方法中，除经验评估法外，大部分是依据所建立结构模型，参照工程经验或者试验数据做出参数假定，并进行计算分析，此类数值分析需要较长有限元建模和分析时间以及比较繁琐的计算。另外，由于施工技术或实际材料选用的问题，所设计结构与建成且服役多年后的结构在振动特性上是有一定差别的［7］，因此，上述方法很难评估老龄期既有建筑的实际性能。

强震作用下既有建筑物往往会造成不同程度的损伤，导致损伤的结构刚度变小而基本振动周期变长。比如，日本学者MOTOSAKA通过对东日本大地震前后一座9层钢筋混凝土结构的振动记录分析得知［8-9］，地震前、后的基本水平振动周期分别为0.62 s和0.86 s，对该楼进行紧急修复后的基本振动周期为0.73 s。基于此想法，若能准确检测改造加固前后既有建筑物的基本振动周期，应有助于评估其抗震性能。基于微振动检测的结构抗震性能评估由日本社团法人建筑研究振型协会［11］首先提出，吕良正［11］通过回归分析进一步改善了建筑物基本振动周期与抗震性能的函数关系，李航［12］结合Pushover分析方法提出了一种与我国规范相适应的技术方法，推动了该技术的发展。

目前，国家在积极推进城镇老旧小区改造，面对量大面广的既有老旧建筑物加固后抗震性能的评估，快速且可靠的技术将有效推进城市现代化建设。因此，本文基于现场微振动检测技术与性能评估理论成果，结合现行《建筑抗震设计规范》［13］（GB 50011—2010）（以 下 简 称“抗 震 规范”），以LabVIEW为开发平台，研发了基于微振动检测的既有建筑物加固改造抗震性能评估系统，可依据现场检测数据快速识别结构动力特性参数，并通过建立动态参数与性能指标的关联性等效简化模型对结构抗震能力进行评估。该评价系统旨在对加固改造后既有钢筋混凝土结构进行较快速可靠的抗震性能评估，其可靠性和适用性通过某加固改造工程实例进行验证。

1 基于微振动检测的既有建筑结构抗震性能评估体系

如图1所示基于微振检测的既有结构抗震性能评估系统示意图，其基本思想是在既有结构安装智能传感设备，拾取由地脉动引起的结构的响应，利用动态数据采集仪对数据进行处理分析，并通过基于LabVIEW平台的数据分析软件进行识别动力特性参数，建立参数与性能指标的关联性，进而对结构抗震能力进行评估。该系统的关键技术问题如下所述。

图1 基于微振动检测的既有结构抗震性能评估体系示意图Fig.1 Assessment system of seismic capacity for existing buildings based on ambient vibration measurement

1.1 传感及数据采集设备

为通过地脉动检测得到精度较高的既有建筑物动力特性参数，高精密的传感设备及信号采集仪器是重要的保障。本系统中采用由中国地震局工程力学研究和北京腾晟桥康科技有限公司合作开发生产的QZ2013型力平衡加速度加速度计及G01N ET-2高精度多通道动态数据采集仪，如图2所示。

图2 传感设备和动态数据采集仪Fig.2 Acceleration sensor and data acquisition instrument

该传感设备为三分量输出差容式动圈换能式力平衡加速度计，测量范围为±2.0g，加速度分辨率为0.000 002g，灵敏度为1.1 V/g，动态范围大于125 dB，横向灵敏度比小于1%（包括角偏差），零位漂移为2μgn/℃（典型值），图2中为带防水保护盒的状态。

脉动检测用数据采集仪是一款集成了信号调理模块和高精度模数转换模块的同步数据采集仪，集成了高性能的滤波芯片、积分电路等信号调理模块，动态范围大于125 dB，滤波截止频率可设置，具有积分、直通模式，最小电压分辨率可达0.005 mV，采样率为1～10 000 Hz，可对低频、中频、高频微振动事件进行实时采样，精度较高，可准确采集到地球日常脉动等超微动信号。

1.2 动力特性参数的识别

既有建筑结构处于正常运行状态时，通常采用仅基于输出信号的环境激励下模态试验分析获取结构典型动态参数（振动周期、振型、阻尼等），常用的分析方法主要有频域识别法、时域一步法及时域两步法［14］。其中，增强型频域分解法（EFDD）［15］可识别密集模态，不产生虚假固有频率，且精度较高，适用于楼房、风机塔及桥梁等结构的模态分析。

EFDD法的基本思想：首先将各测点功率谱密度进行奇异值分解，设y（t）为拾取的响应数据，则功率谱矩阵为

式中：w为圆频率；j为虚数单位；［Σ］为奇异值对角阵；［Ф］奇异向量，表示模态振型；上标H表示共轭转置。

进而将分解后的单自由度功率谱密度函数进行逆傅里叶变换，最后，在时域内求解相关函数并可直接完成固有频率和阻尼比的计算。其中，第k阶模态的阻尼系数可用自由衰减函数表示为

式中：rok为相关函数的初始值；rpk为第p个峰值。

1.3 关联性的建立

为快速且可靠（相对保守的结果）的对结构进行评价，可将既有建筑物为钢筋混凝土框架结构，竖向规则布置且以剪切变形为主，等效简化为多自由度质点-梁模型（MDOFs），如图3所示，假定每层的质量mi已知，则可通过2.2节所确定的振动周期，对层间水平刚度ki进行求解。该体系的自由振动方程（忽略阻尼影响）为

图3 基于微振动检测的结构简化模型示意图Fig.3 Simplified model of structure based on AVM

式中：［M］和［K］分别为结构的整体质量矩阵和刚度矩阵，其中［M］为对角矩阵；和{u}分别为自由振动的加速度向量和位移向量。

则由2.2节现场检测识别结构模态参数后，可获得结构的频率fi和相应的振型{Фi}，并带入式（3）可得：

令α=mj/m1，则可由方程式（4）求出各层间刚度为

式中，M为结构的各楼层的总质量。

式（5）便可建立既有建筑物实测数据与结构抗震评估简化模型之间的关联性。据此，可对MDOFs模型进行抗震性能评估。

1.4 抗震性能评估

依据现行抗震规范规定，针对既有建筑物的抗震性能评估主要包括地震作用的选取、抗震设防标准以及性能指标。

首先，既有建筑物往往是服役了一段时期，如果不进行加固改造其后续使用时间要小于设计使用期。也就是说，仅对结构进行抗震性能评估时，若仍按照设计基准期来确定地震作用取值显然是过于保守的。然而，依据《混凝土结构加固设计规范》［16］（GB 50728—2011）规定，既有结构加固后的使用年限可与设计使用期相同，并且使用年限到期后，当重新进行的可靠性鉴定认为该结构工作正常，仍可继续延长其使用年限。因此，在本评价体系中仍依据既有建筑物的设计基准期确定的地震作用取值。

其次，既有建筑物的抗震性能目标是该结构经加固改造后抗震能力应达到的目标。需要说明的是，现行抗震规范规定的“三水准”设计原则仅适合丙类建筑的抗震性能目标，文献［6］依据相关研究成果，将既有建筑结构抗震性能划分为五个等级，即：①立即使用；②可使用；③修复后使用；④生命安全；⑤防止倒塌。该分级较符合既有建筑结构的特点，可作为所研发评价系统的抗震设防标准。

最后，在抗震设计与评估体系中，结构的损伤、能量、位移、延性等可以较全面地描述结构的抗震能力。其中，层间构件变形、结构整体变形、稳定性等可由层间位移角和整体位移角作为性能指标准确反映，并且和结构的破坏程度有较好的相关性，因此，在所研发评价系统中采用层间位移角作为抗震性能指标。同时，为了工程应用的方便，并且与抗震规范统一，本评价体系采用层间位移角作为抗震性能指标。在已有研究的基础上，与抗震设防标准对应，文献［6］所给出的既有建筑结构层间位移角限值如表1所示。

表1 既有建筑结构层间位移角限值Table 1 Limit value of inter-story drift ratio for existing building

2 抗震性能评估系统的研发

2.1 评估体系的实施过程

基于上述对关键技术问题的讨论，本文所提出基于微振动检测既有建筑结构加固改造抗震性能评估系统的具体实施过程如图4所示，其中，虚线框内的内容需进行软件开发。首先，利用2.1节所述的设备在既有建筑现场进行测点布置并采集微振数据；依据2.2节介绍的方法进行数据处理分析识别结构的动力特性参数；进而，采用2.3节的关联性建立简化后的MDOFs模型，由既有建筑结构设计基准期和所处场地确定地震作用取值，并选取合理的动力分析方法（弹性和弹塑性动力时程分析法）开展结构的响应分析；然后，确定该结构的抗震设防标准，并依据相应的抗震性能指标进行评估；最后，给出评估结果，针对该建筑物制定合理的改进措施。

图4 抗震性能评估体系的实施过程Fig.4 Flowchart for assessment system of seismic capacity

2.2 基于LabVIEW的数据分析软件

LabVIEW是图形化的编程语言，具有拖放式界面和友好的编程环境，可调用C语言及MATLAB等，并且具有高度开放的I/O接口，可无缝对接许多仪器，因此，本文基于该平台进行抗震性能评价系统软件的编写，所开发的系统界面如图5所示。

图5 既有结构抗震性能评估系统界面Fig.5 The interface of assessment system of seismic capacity for strengthened existing buildings

该软件中，模态参数识别、层间刚度计算、结构反应分析以及性能评估等步骤均采用C语言进行二次开发。除具备抗震性能评估要求外，还可通过拾取的信号进行实时在线健康监测，其他主要功能如下：

（1）多台并联实时同步数据采集。针对同时对多个监测点不同分量的振动进行数据采集，可多台采集仪通过局域网并联成高达128通道的同步采集。同时，基于GPS或接收端电脑的时间作为基准时钟来控制多台采集器同步采集，并可执行数据采集模块的定时、触发或自定义控制循环。

（2）时、频域分析模块。此模块是对实测数据进行时、频域的处理，主要包括数字滤波、自功率谱平均分析，FFT分析，互功率谱分析，自相关分析、频率响应函数分析、小波分析，以及对数据的微积分分析，检测时长内的最大峰值，显示时域波形等操作。

（3）数据自动存储功能。对接收到的数据实时进行事件触发判断、事件参数分析、数据波形显示与保存、分析结果显示与保存，并可自动生成抗震性能评估报告。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某行政楼加固改造工程为6层现浇混凝土框架结构，建设于1994年，如图6所示，建筑面积约7776 m2，长66 m，宽14 m，建筑高度20.1 m，首层层高3.6 m，标准层层高为3.3 m，场地类型为中软土，场地类型为Ⅱ类，该工程结构抗震性能目标为7度设防。

图6 某行政楼目标结构Fig.6 Objective structure of an office building

采用钻芯修正回弹法检测柱、梁混凝土抗压强度等级为C20，经计算，该工程首层及第三层部分柱承载能力不满足规范要求，其他柱、梁、板承载能力满足规范要求。故对结构进行加固改造，为进一步延长既有建筑物的使用期限，具体方案如下：对各层加固区域内的柱进行外包型钢加固，如图7所示首层平面图，红色区域为柱加固区域。同时，该结构加固前后采用本文所研发评估系统进行现场检测，测点的平面内布置如图7所示。

图7 目标结构平面图及传感器测点位置示意图Fig.7 Objective structure of an office building

3.2 地震作用取值

为验证所开发系统的可靠性，在此次既有结构的地震反应分析中，分别考虑7度设防地震和8度罕遇地震，基岩峰值加速度分别为0.15g和0.3g。在弹塑性时程分析中选取适用于Ⅱ类场地的El Centro波地震动加速度时程，归一化时程曲线如图8所示，时间步长为0.02 s，总持时为30 s。

图8 El Centro波地震动时程曲线Fig.8 Time history curve of EL Centro wave

3.3 模态识别参数对比分析

为进行对比研究，采用ANSYS对该结构进行模态分析以及弹塑性时程分析。

图9所示为基于所开发系统中的EFDD法对所检测目标结构加固前后采集的数据进行模态参数识别的频率及归一化振型，以及基于有限元数值分析法所得的振型，为节省篇幅，仅列出了前两阶结果。在计算分析中的坐标系如图7所示，Y为竖直向，X为纵轴水平方向，Z为横轴水平方向。

从图9可知，从整体来看，在目标结构加固前后，数值计算的各阶模态频率均比实测值要大，这主要是有限元模型在建模中对目标结构进行了一定程度的简化，不能体现结构的完整性，并且在材料参数赋值中，依据的是设计资料或规范参考值，无法根据服役20多年后目标结构的实际状态确定。在目标结构加固后，两种方法所得频率结果均有所提高，这主要是结构柱外包型钢后导致结构整体刚度增大的原因。另外，从振型来看，第1阶归一化振型的z向变形明显大于x向，这与有限元结果基本吻合，同理，第2阶为纵轴x向变形为主的振型。

图9 目标结构模态识别与数值模拟对比（前2阶）Fig.9 first and second vibration modes of uncontrolled structure

目标结构前六阶自振周期如表2所示，其他阶次与前述规律基本类似，此处不再赘述。

表2 目标结构的模态分析数据Table 2 Modal analysis data of the target structure

3.4 抗震性能对比分析

本节将基于现场检测及数值模拟的计算结果，从层间位移角和结构顶点位移曲线来对工程结构加固前后的抗震性能进行评估。

图10给出了各工况下目标结构各层的层间位移角分布图。从图中不难看出，在两种设防标准下，微振动检测法和数值分析法所得的层间位移角的变化规律基本吻合，这主要是数值分析法在建模中材料属性的取值导致结构的整体刚度要比实际结构偏大；同时，目标结构在加固后的层间位移角较之加固前的层间位移角偏小，且两种方法之间的差距也有所减小，这说明了对柱的加固措施提升了结构的刚度。从数值上来看，设防地震作用下，在目标结构加固前，两种方法所计算的层间位移角均超过了表1所规定的“立即使用”的限值1/550，而经加固后，由于整体刚度的增大，提升了该结构的抗震性能，两种方法所得最大层间位移角均小于限值；在罕遇地震作用下，两种方法所得结果均能保证“生命安全”（1/100）性能目标。

图10 各工况下结构各层的层间位移角Fig.10 The inter-story drift under different conditions

图11所示为各工况下目标结构顶点位移时程曲线，不难发现，两种计算分析方法以及目标结构加固前后的变化规律与层间位移角的变化规律基本类似。从数值上来看，设防地震作用下，目标结构加固前，微振动检测法与数值分析法所得的顶点最大位移分别为65 mm和59 mm；加固后分别为57 mm和53 mm。罕遇地震作用下，目标结构加固前，微振动检测法与数值分析法所得的顶点最大位移分别为86 mm和82 mm；加固后分别为76 mm和71 mm。

图11 各工况下结构顶点位移时程曲线Fig.11 The displacement time-history curves of structure top node in different condition

综合所述，该工程结构在加固后具备一定抗震安全裕度，能满足抗震性能目标。另外，若对工程结构的局部检测不满足塑性极限值要求，可在不改变整体结构性能的基础上进行局部加强。

需要说明的是，本文所研发的基于微振动检测的性能评估系统的计算结果偏保守，适用于大规模的老龄期既有建筑抗震性能的快速评估，如果利用该系统评估的加固改造后工程结构不能满足规范要求，则需利用其他评估方法进行校核。

4 结 论

基于微振检测的评估系统通过现场采集结构微振响应获得贴近实际的动力特性参数，进而对结构等效简化后开展抗震性能评估，并基于LabVIEW平台实现功能嵌入。该系统的主要特点如下：

（1）在LabVIEW平台完整地建立了抗震性能评估系统，可操作性强，具有较强的实际工程应用价值。

（2）传感及动态数据采集设备可高精度分辨并采集地脉动的微振动信号，为有效识别实际结构的动力特性参数以及保证等效简化MDOFs模型的合理性提供数据支撑。

（3）基于等效简化模型的抗震性能分析，避免了数值建模与设计思路的重复性，尤其对老龄期既有建筑加固前后，其更贴近结构实际性能。同时，大大减少了建立精细化数值建模以及结构反应计算分析的工作量，可为大规模既有老旧建筑物的性能评价提供技术支持。

（4）系统同时开发了多台并联实时同步数据采集、数据的时频域分析模块以及数据自动存储功能等，可进一步应用于重大工程结构的实时在线健康监测。

最后，结合实际工程算例，通过与基于ANSYS数值计算的对比分析验证了其有效性，计算结果表明该系统具备快速完成钢筋混凝土结构抗震性能评价的能力。但是，对于复杂结构的性能评价还需进一步通过实际工程验证。