建筑工程检测中动力特性测试技术运用研究

陈文山

（新丰县建筑工程质量安全检测中心，广东 韶关 511100）

0 引言

建筑物的动力特性是指建筑物震动的周期、振型和阻尼比，在建筑物正式使用后，其动力特性不会发生明显变化。在现有的建筑工程检测和鉴定过程当中应当重视对建筑物本身动力特性的参数进行测试，在此基础上与常规检测手段相结合，能够对建筑的结构作出更加科学的判定。

1 动力特性测试技术原理

1.1 动力特性测试理论

动力特性测试主要是对建筑物的结构和构件性能进行研究测试，在对钢筋混凝土建筑结构进行测试时，可以得到结构自身的自振频率，将这些数据与有限元分析结果进行对比，分析建筑是否有足够的应对地震的能力。为了保证建筑物动力特性测试的顺利进行，使用有限元软件分析建筑的自振性，同时采用线弹性手段确定建筑的空间计算模型。例如在分析房屋结构时，通过3D-beam 单元模型将房屋整体结构划分成几个不同单元，并规定了这些单元的界面参数和边界划分条件，向相关检测人员提供竣工的材料。同时应用Midas Civil 程序的特征值分析其控制功能，并对建筑结构内部的动力特性理论进行分析，判断房屋结构内部的振型、自振频率以及固有的振动周期等数据。

1.2 主要测试方法

目前比较常用的一种动力特性测试是脉动法，这种测试方法不需要利用专门的测试设备，用简单的仪器对建筑物的脉动数据进行采集之后再用专业的软件对数据进行分析，就可以确定建筑物现有的动力特性，并且不受建筑本身结构和体积等因素的限制。这种方法的优势主要在于不会对建筑物造成任何负面影响，也不会在测试现场留下测试痕迹，能够做到无痕检测。

1.3 技术基本原理

为了保证动力特性测试能够达到更好的测试效果，主要选取DASP-V11 的数据系统，利用计算机和拾振器对建筑物的内在结构进行动力特性测试。目前，主要有时域分析和频域分析两种手段对常规的房屋机构进行动态特性识别。所谓频域分析就是将响应功率谱作为分析的核心进而延伸至奇异值进行分解研究，通过频域分析法确定的建筑动力特性也是建筑的固有频率和振型，在利用频域分析法处理脉动信号时，先计算某一测点脉动信号的振幅谱和功率谱，通过峰值确定结构的固有频率。从任意一个测点的峰值就可以确定测点的振型浮动区域，在获得了所有测点振型浮动区域后，就可以确定整体结构的振型。

2 建筑工程检测中动力特性测试技术运用策略

2.1 阻尼比数据历史建筑保护性检测过程中的运用

在历史建筑进行的检测主要是保护性检测，而阻尼比就是在计算建筑物对地震的反应时的一个相关参数，但是目前阻尼比数据无法通过理论结果计算得出，只能在现场当中得到。通过判断建筑阻尼比数据的变化来分析结构是否出现受损现象，尤其是在对历史建筑进行保护性测试时，尤其会用到此类数据[1]。历史性建筑不管是材料质量还是本身的建筑工艺都与现代的建筑类型有很大差距。再加上很多历史建筑外观独特，内部结构比较复杂，建筑用料性能明显退化。导致有限元软件在模拟时很难得出准确的结果，开展难度也较大，并且由于有限元软件模拟本身在边界条件、网格划分精确度等方面的不足，使得有限元软件分析一般不具有独立作为分析数据的能力，通常还会通过其他试验数据进行佐证。

例如，在对某大型古塔进行保护性检测时，利用阻尼比数据进行检测，据了解，该塔已经有近千年的历史，是我国著名的保护性文物，该塔的整体高度约为67m，整体结构比较复杂，且塔体采用了底层双壁的形式，塔身则是木质构架的双层结构，塔下利用砖石作为台基。分别在2008年（表1）和2013年（表2）对该塔进行两次测试，分析两组阻尼比数据之间的差距，可以判断该塔的稳定性。

表1 第一次无游客时阻尼比测试数据

表2 第二次无游客时阻尼比测试数据

由表1、表2 之间数据对比可知，第二次测试数据相较于向上数字增加了约20%，这说明在木塔结构当中可能存在松动的节点，导致木塔整体的稳定性受到影响。通过在不同时间点对古塔的阻尼比数据进行测试，能够为之后对古塔进行安全鉴定提供数据支持和技术保障。

2.2 频率测试在建筑结构异常震动检测中的运用

在对建筑结构异常震动检测时，主要通过动力特性测试对生产设备震动造成的异常振动进行检测。如果楼层放置了振动设备造成楼体出现了异常震动，主要可以考虑以下两个原因：①由于设备本身产生的激振力频率与楼体结构构件固有的频率接近一致，导致楼体与设备共同出现震动。②由于结构本身的稳定性不够，导致在设备发生震动之后自身也出现了异常震动[2]。例如某工厂的排风设备安装区域主要是钢筋混凝土的结构，五台风机位置设置相对比较分散，风机位置设置如图1 所示。在风机实际运行时，楼盖某些区域出现明显的震感。在实际检测时，将检测仪器布置在震感明显的中间位置，测试这些位置在风机运行时出现的强迫震动频率。因为该工厂的实际生产需求，风机不能停止工作，所以在实际测试时无法对楼体本身的自振频率进行检测。在测试时设置了4 个主要测点，对楼体的震动情况进行分析，发现测试区域内部分结构的固有振动频率和强迫振动频率的比值均维持在0.7～1.3 的共振范围内，也就出现了共振的情况，具体强迫振动频率如表3 所示。在测试之后找到相应的共振构建，能够为接下来处理相关问题提供科学依据。

表3 4 个测试点的强迫振动频率

2.3 振型和阻尼比在新型建筑结构性能验证中的运用

随着时代的发展，建筑物的风格和结构也在逐渐丰富，对新型建筑结构进行测量的方法主要是有限元软件模拟和缩尺振动台两种形式。有限软件模式模拟的材料结构模型和实际模型有一定的出入，软件内假定的边界条件与实际情况也存在不同，也存在网络划分精确度以及技术水平落后的不足。而缩尺震动试验台也存在缩尺后模型产生重力失真的现象，在选择模型时无法找到合适的材料以及无法考虑机构构建的尺寸效应等方面的不足[3]。

例如，在对某种新型钢管混凝土框架结构进行检测时，利用理论分析的钢管结构抗震性能要高于同类钢筋混凝土结构，为了能够证明这一结构的实际性能，分别对该房屋建筑进行两次动力特性测试。第一次对已完成的主体结构和尚未砌筑的填充墙进行检测，第二次对已经完成的砌筑填充墙进行检测。两次检测分别表现出来了不同的结果，通过对比两次数据能够得出没有经过填充的墙，其框架振型更加圆滑和饱满，而填充墙会在一定程度上影响墙体结构的延性。同时对该建筑进行了两次阻尼比测试，测试结果显示填充墙的阻尼比会有所增加，而且结构的耗能能力更高，根据数据结果猜测可能阻尼比的数据与底层使用的钢管混凝土支柱的材质有一定关系，两次阻尼比测试数据对比结果如表4 所示。

表4 两次阻尼比测试数据对比

测试结果与理论取值的差异会直接影响对结构性能的判断，在理论分析上，如果利用钢筋混凝土柱自隔振技术能够延长房屋结构的自振周期，避开平台段，减少地震的影响。但是实际上该房屋结构的设计模型与实际结构相差甚远，根据实际动力特性测试的结果进行分析，该结构的减震作用与普通框架结构的理论分析结果相差不大，则可以考虑该房屋结构在实际地震当中的减震效果并不明显。主要是由于理论设计分析只考虑到了自振周期变化对结构带来的影响，并没有对阻尼比的数据变化带来的影响。因此在分析新型建筑结构时，应当同时考虑自振周期和阻尼比两种数据的影响，判断建筑结构是否具有合格的抗震能力[4]。

2.4 对结构材料和结构动力进行检测

合理使用智能信息处理系统和信息技术，利用频域分析法对房屋结构的阻尼比、振型和振动周期等动力特性数据进行分析，并与现场测量数据相结合得出房屋实际结构模型图。在实际现场测量之后，将调查结果与施工设计图对比，保证建筑物施工的各项数据能够与设计图相对应，在构件尺寸上允许出现约20mm的误差。

例如陕西省某地房屋，在勘查之后发现房屋东北向的某处墙面已经出现了开裂的现象，经过分析数据并比对设计图，发现出现这一问题的原因主要是对沉降缝的处理过程不当。该房屋框架主体设计如图2 所示，在设计时就以稳定性为主，因此在使用后整体结构并没有出现沉降现象，主体结构良好，也没有出现不均匀的现象。这一房屋的地基基础应当没有出现明显的静载缺陷现象，在调查过程中也没有发现有哪处结构出现了露筋和蜂窝等明显的质量问题。因此针对这一情况，采用回弹和钻芯综合法对房屋框架主体以及混凝土强度进行抽检，并利用钻芯对出现的问题进行处理。在测试之后发现很多测点的混定图并没有满足设计需求而且混凝土出现了比较严重的碳化现象[5]。为了弥补传统检测方式本身在准确性方面存在的不足，并对房屋进行全面测定。该房屋在检测时使用了脉动法对屋内的大型设备进行动力性检测，利用SVSA 震动信号分析仪器和加速传感器对房屋各个方向的震动信号进行检测。利用混凝土结构公式进行计算得出该房屋的第一自振频率是1.82Hz。由于实测周期较短，所以实测的频率稍高于公式计算的数值。因此，可以判断该建筑的整体安全性和稳定性依旧良好，因为设备运行造成的震动幅度达到0.032mm 时，依旧符合国家建筑物的稳定性标准。经过对其结构材料和结构动力进行动力性检测，能够判定该房屋依旧处于安全限度范围内。

3 结语

动力性检测技术能够帮助对历史建筑物进行保护性检测，保证历史建筑物整体结构的安全性和稳定性。动力性检测是对建筑结构的动力性参数进行检测，能够找到产生异常振动的部位和原因，帮助进行接下来的分析和处理。