摘要:开展基于动力特性测试的既有建筑结构损伤识别的研究，论述了结构动力特性测试原理、流程、特有优势、测试过程中注意事项及结构损伤识别等问题，通过结构动力特性测试数据与理论计算数据（或历史数据）对比，确定既有建筑结构是否存在损伤及其损伤的范围。
关键词:动力特性测试；既有建筑结构；损伤识别
0前言
建筑结构的动力特性反映了结构体系自身固有的振动特性，是评估结构承载能力和安全裕度的重要参数，也是识别结构工作性能的重要参数。任何结构都可看作是由刚度、质量、阻尼矩阵构成的动力学系统，结构的损伤改变了结构的刚度，其动力特性也相应地发生了变化，结构模态参数发生变化，相关联的自振频率、阻尼比和振型也将发生变化，这种变化可视为结构损伤发生的标志。《建筑结构检测技术标准》（GB/T50344—2004）[1]中规定:对于重要和大型公共建筑宜进行结构动力测试。由于结构构件开裂等损伤能使结构动力测试的基本周期增大，在振型反应中也能反映出来，同时结构动力测试也不会对结构造成损伤。对于大型公共建筑和重要建筑宜在建筑工程竣工验收完成后，使用前和使用后，分别进行一次动力测试。并宜在每隔10年左右再进行一次动力测试，对使用30年以上的建筑物宜7年左右进行一次动力测试。这些测试应与工程竣工验收完成使用后的动力测试相比较，以确定建筑结构是否存在损伤及其损伤的范围，为是否需要进行详细检测提供依据。因此，开展基于动力特性测试的结构损伤识别的研究有其重要意义，而测试动力特性的准确性是结构损伤识别的关键因素。
1结构动力特性测试原理、流程及特有优势
1.1测试原理
结构动力特性测试方法、测试设备和仪器，可依据《建筑结构检测技术标准》[1]（GB/T50344—2004）和《混凝土结构试验方法标准》[2]（GB/T50152—2012）进行测试。实际测量、分析的物理量，是被测对象（真实结构或者结构模型等系统）在一定运行环境中受到某种激励的动态响应，能在某种程度上反映被测系统的动力性能[3]。通过对被测系统输入、输出物理量的测量和分析来确定系统的动力特性。
1.2测试流程
动力特性测试系统应由激励系统、传感器和动态信号采集分析系统组成。动力特性测试项目可包括结构自振频率、振型和阻尼比等动力特性的测试，结构受振动源激励后的位移、速度、加速度，动应变等动力响应的测试，测试时应根据需要选择不同的测量参数。现场结构动力特性测试是指由传感器测得这些非电物理信号并转变为电信号，然后经过放大、滤波等环节，对信号作适当调节，对测试结果进行显示、记录，并进行数据分析处理的全过程。
1.3特有优势
数值理论计算需对结构进行简化，无法得到精确的动力特性，且无法通过理论计算得到结构阻尼比。实体结构动力特性测试有效克服了理论分析方法中存在的缺陷和不足，考虑了边界条件、本构关系及施工质量等影响因素，可较为全面真实地反映出建筑物实体结构性能。结构实测的固有频率，特别是各阶模态的振型，分析结构的扭转效应和鞭梢效应，为改进设计提供依据。结构动力特性实测，可为建筑减震、消震和隔震提供帮助。建筑建成后完好状态下测试得到的动力特性数据，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后，再进行测试，可通过对比资料，为结构安全性评估及损伤识别提供依据。
2测试过程中注意事项
选用下限频率较低、高灵敏度的传感器、放大器及记录设备，信噪比较好的导线。测试结构动力特性时，测振传感器应布设在结构理论振型的峰（谷）点[4]，应通过连续测量建筑物所在地的质点峰值振动速度来确定振动的特性。传感器在结构平面内的布置:对于规则结构，以测试平动振动为主，测试时传感器应安放在典型结构层靠近质心位置；对于不规则结构，除测试平动振动外，应在典型结构层的平面端部设置传感器，测试结构的扭转振动。传感器沿结构竖向宜均匀布置，且尽量避开存在人为干扰的位置。传感器与结构之间应有良好的接触，不应有架空隔热板等隔离层，并应可靠固定。传感器的灵敏度主轴方向应与测试方向一致。测试过程中尽量减少环境、噪声、局部振动及系统的干扰。应保证测试记录时间，在测量振型和频率时不应少于5min，在测试阻尼时不应小于30min。当因测试仪器数量不足而作多次测试时，每次测试中应至少保留一个共同的参考点。
3结构损伤识别
结构动力特性测试数据处理后，应根据需要提供被测试结构的自振频率、阻尼比和振型、动力反应最大幅值、时程曲线、频谱曲线等分析结果。结构的自振频率可采用自功率谱或傅里叶谱方法进行计算。结构的阻尼比可采用半功率点法或自相关函数进行计算，有激励条件时可按时程自由衰减曲线求取。结构的振型宜采用自谱分析、互谱分析或传递函数分析等方法计算。结构动力特性与结构损伤或工作性能有直接的关系，因此根据结构自振频率、振型、阻尼比等动力特性的测试结果，可从以下方面对结构损伤或工作性能进行分析和判断。结构频率的实测值如果大于理论值（或历史数据），说明结构实际刚度比理论估算值（或原来结构刚度）偏大，或实际质量比理论估算（或原来质量）偏小；反之说明结构实际刚度比理论估算（或原来结构刚度）偏小，或实际质量比理论估算（或原来质量）偏大。如结构使用一段时间后自振频率减小，则可能存在开裂或其他不正常现象。结构振型应当与计算（或历史结构振型）吻合，如果存在明显差异，应分析结构的荷载分布、施工质量或计算模型可能存在的误差，并应分析其影响和应对措施。结构的阻尼比实测值如果大于历史数据，说明结构耗散外部输入能量的能力强，振动衰减快；反之说明结构耗散外部输入能量的能力差，振动衰减慢；如阻尼比过大，应判断是否因裂缝等不正常因素所致。
4结论
现场结构动力特性测试过程有效克服了理论分析方法中存在的缺陷和不足，考虑了边界条件、本构关系及施工质量等影响因素，可较为全面真实地反映出建筑物实体结构性能。通过测试结构动力特性参数（自振频率、振型和阻尼比等）与理论计算数据（或历史数据）对比，分析和判断建筑结构损伤或工作性能。环境激励的动力特性测试时，如传感器数量不足需要作多次测试，最有效的办法是分区分阶段测试，每次测试中应至少保留一个共同的参考点（应避开振型节点），以便与其他测点的数据相比较和矫正。参照测点应选择在信噪比良好的楼层，或者选择在测试区域重叠处，有时还需考虑建筑结构特点、现场条件、测试能力等。现有模态分析软件进行数据分析处理时，目前只能有一个测点的一个方向的数据作为参考数据，其他重复测量的数据无法输入到模型中，有待进一步深入研究。结构动力特性测试多采用脉动测试法，是反应结构在微小变形下的动力特性，测得的周期都比较短。如果激振力加大，结构周期会加长。因此，完全按照脉动测试的周期来确定同类型结构的周期，将使计算等效地震力加大，设计偏于保守，有待于进一步深入研究探讨。
参考文献:
[1]GB/T50344—2004,建筑结构检测技术标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.
[2]GB/T50152—2012,混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3]李斌.高层建筑结构模态分析方法的应用[D].上海:同济大学,2006.
[4]JTG/TJ21-01—2015,公路桥梁荷载试验规程[S].北京:人民交通出版社股份有限公司,2016.
作者:王健 申磊 周蕊 单位:河南省建筑科学研究院有限公司