工程質(zhì)量檢測論文：
開展房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測,提高房屋安全鑒定水平
【摘 要】分析當(dāng)前我國房屋使用安全方面存在的問題,及提高房屋安全鑒定水平對(duì)保障房屋使用安全的作用,引入開展房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測的概念、原理、發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn),介紹開展房屋結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測的工程應(yīng)用和意義。本文第三部分結(jié)合工程實(shí)例,從一個(gè)完整房屋安全鑒定報(bào)告的一般格式和程序的角度出發(fā),注重報(bào)告結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測部分的內(nèi)容,說明開展結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測,同時(shí)結(jié)合其它普通檢測方法,由對(duì)結(jié)構(gòu)局部和整體兩個(gè)方面的檢測結(jié)果綜合鑒定房屋的安全性,是提高房屋安全鑒定水平的重要手段。文中涉及到的結(jié)構(gòu)靜力檢測過程和數(shù)據(jù)部分內(nèi)容簡略。最后簡要提出了開展結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測方面存在的問題和需進(jìn)一步完成的工作。
【關(guān)鍵詞】房屋安全鑒定;質(zhì)量檢測;結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測;模態(tài)參數(shù)
1. 引言
近幾年來,地震、臺(tái)風(fēng)自然災(zāi)害與火災(zāi)、爆炸等人為因素已對(duì)在役房屋造成了不同程度的損傷甚至破壞。其次,當(dāng)前房屋結(jié)構(gòu)正朝著高層次、大柔度方向發(fā)展,因此在風(fēng)載、地震荷載及周圍環(huán)境作用下可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)振動(dòng)。再者,房屋在施工過程中,由于被偷工減料等原因未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,還有房屋使用過程中的隨意改造等,致使房屋使用安全難以得到保證。房屋安全不容忽視,它是直接關(guān)系人民生命財(cái)產(chǎn)和安居樂業(yè)的大事,特別是近年來以人為本發(fā)展新概念的深入人心,使人們對(duì)房屋使用安全提出了更高的要求。社會(huì)的發(fā)展,對(duì)房屋安全鑒定水平提出了新要求,結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測是房屋安全鑒定的主要手段,這要求我們要全面做好房屋的質(zhì)量檢測工作。因此,作為結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測重要手段的結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生,而且表現(xiàn)出了很大的發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展空間。本文就是從結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測角度出發(fā),結(jié)合工程實(shí)例,論述開展結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測是提高房屋安全鑒定水平的重要手段和方法。
2. 結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測技術(shù)
2.1 概念及原理。
對(duì)房屋開展動(dòng)力測試,利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)識(shí)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(dòng)力檢測。結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測的基本問題是依據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),測得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù),然后識(shí)別結(jié)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)。
建筑物的動(dòng)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)損傷或其它質(zhì)量問題,這些參數(shù)也隨之發(fā)生改變。因此,結(jié)構(gòu)動(dòng)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,結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測被普遍認(rèn)為是一種很前途的檢測方法,它是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、振動(dòng)測試、信號(hào)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。特別是近年來,隨著能夠滿足結(jié)構(gòu)檢測要求的強(qiáng)大試驗(yàn)和分析處理工具的出現(xiàn),高效模塊化、數(shù)字化的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)量測技術(shù)已為結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的支持,使得結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測技術(shù)已走向成熟,在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用已日趨廣泛,不但是大學(xué)、科研機(jī)構(gòu),而且許多工程質(zhì)量檢測單位也已逐步開始使用。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測方法優(yōu)點(diǎn)很多,如該方法可以不受結(jié)構(gòu)規(guī)模、復(fù)雜性及隱蔽性的限制,只要在可達(dá)到的結(jié)構(gòu)位置安裝動(dòng)力響應(yīng)傳感器即可。另外,結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測屬于結(jié)構(gòu)無損檢測范疇,對(duì)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,滿足人們需求標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的需求。
2.4 工程應(yīng)用及意義。
雖然結(jié)構(gòu)的自振頻率、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(dòng)力特性仍然具有重要意義。如果已經(jīng)有了結(jié)構(gòu)的實(shí)物或設(shè)計(jì)圖紙,并掌握所有材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù),那么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)。然而由于諸方面的原因,例如:非線性因素,材料的不均勻性,阻尼機(jī)理的復(fù)雜性,再加上構(gòu)件與構(gòu)件、整機(jī)與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)與地基的聯(lián)結(jié)剛度難以確定等等,使有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性(甚至于可能性)受到限制[1]。利用現(xiàn)場實(shí)測得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是建筑物建成后的實(shí)際動(dòng)力特性,因此是準(zhǔn)確可靠的[2]。
建筑物建成以后完好狀態(tài)下量測得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性數(shù)據(jù),可作為基本技術(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以后,再進(jìn)行測量,可以從中獲得寶貴的對(duì)比資料。比如,房屋結(jié)構(gòu)破壞開裂后或結(jié)構(gòu)內(nèi)部有質(zhì)量問題時(shí),結(jié)構(gòu)的自振周期會(huì)加長,振型會(huì)改變等,從結(jié)構(gòu)的自身固有特性的變化可以識(shí)別建筑物的損傷,為房屋安全鑒定提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)然,動(dòng)力特性實(shí)測作為安全鑒定的一個(gè)手段,還要與其他鑒定方法一起工作,全面分析,綜合評(píng)定,才能得到滿意的結(jié)果,增加判定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,提高房屋安全鑒定技術(shù)水平。
如若沒有房屋建成以后完好狀態(tài)下的動(dòng)力特性數(shù)據(jù),我們可以根據(jù)測量大量相同類型房屋的情況,歸納實(shí)測經(jīng)驗(yàn)公式,通過實(shí)測與經(jīng)驗(yàn)公式(實(shí)測或規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式)取值的對(duì)比,同樣可以從某個(gè)范圍上較好評(píng)價(jià)房屋的安全性。因?yàn)檫@方面尚缺少國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),致使該檢測方法的應(yīng)用受到一定的限制,但是動(dòng)力檢測還是能彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測很多方面的不足,在實(shí)際的工程應(yīng)用中也得到了很好的效果。
3. 工程應(yīng)用實(shí)例
3.1 工程概況。
某工廠一期主廠房共有7層,建于1986年,建筑面積約11475m2,建筑高度約38.6m,結(jié)構(gòu)平面呈矩形,總長度105米,總跨度18米,縱向柱間距7.5米,橫向柱間距9米。廠房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),樓屋面板均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。
因該工廠二期擴(kuò)建工程的需要,需對(duì)標(biāo)高28.800m第①至第③軸的局部樓板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。為了確認(rèn)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是否安全,現(xiàn)對(duì)該工廠一期主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行房屋安全鑒定,并提出處理建議。
3.2 檢測鑒定內(nèi)容及結(jié)果。
(1)房屋現(xiàn)場查勘。
經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,并與原設(shè)計(jì)圖紙核對(duì),該結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)布置情況基本與原施工圖一致,構(gòu)件尺寸偏差最大值為+20mm,-4mm,除個(gè)別截面尺寸(梁高)偏大較多外,其它構(gòu)件截面尺寸符合現(xiàn)行規(guī)范要求。
通過現(xiàn)場勘察,發(fā)現(xiàn)北立面沉降縫處墻面開裂嚴(yán)重,這一現(xiàn)象可能與沉降縫處理不當(dāng)有關(guān)。房屋主體結(jié)構(gòu)的沉降狀況良好,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的不均勻沉降、傾斜和開裂,所以判定該廠房地基基礎(chǔ)無嚴(yán)重靜載缺陷。結(jié)構(gòu)內(nèi)部也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫或較大的撓度等影響結(jié)構(gòu)安全使用的狀況。該結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量總體較好,未發(fā)現(xiàn)構(gòu)件露筋、蜂窩等施工質(zhì)量問題。
(2)傾斜測量。
在現(xiàn)場使用全站儀對(duì)該房屋的整體傾斜程度進(jìn)行了觀測,傾斜率最大值為0.039%,此時(shí)側(cè)向位移量為15mm。根據(jù)國家危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)第4.2.3條、4.5.4條[3],房屋的整體傾斜率極值是1%,并且其側(cè)向位移量不宜大于房屋高度的1/500;實(shí)測結(jié)果均小于規(guī)范規(guī)定框架結(jié)構(gòu)整體傾斜率和側(cè)向位移的控制值。
(3)結(jié)構(gòu)材料檢測 。
為了評(píng)定現(xiàn)有混凝土強(qiáng)度,檢測人員現(xiàn)場采用回彈法抽檢了框架梁、柱的混凝土強(qiáng)度,并用鉆芯法進(jìn)行修正。由于本文篇幅限制,構(gòu)件檢測部位及詳細(xì)結(jié)果略。該結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)混凝土構(gòu)件的標(biāo)號(hào)為300號(hào),回彈結(jié)果表明部分測點(diǎn)的混凝土強(qiáng)度未達(dá)到原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度值,但這些測點(diǎn)的混凝土碳化深度較深。再結(jié)合鉆芯取樣檢測的混凝土強(qiáng)度,認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度基本達(dá)到原設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度。
(4)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。
該結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu),抗震等級(jí)為二級(jí),根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查情況,認(rèn)為其構(gòu)造措施基本能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。
(5)結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測。
為了提高傳統(tǒng)檢測鑒定方法的準(zhǔn)確程度,做到全面評(píng)定房屋的安全狀況,為此開展動(dòng)力檢測。采用脈動(dòng)法對(duì)一期主廠房在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)力測試,測試設(shè)備采用由同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院研制的SVSA振動(dòng)信號(hào)采集分析儀,傳感器采用LC0132T內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器。測試分為三個(gè)工況,第一工況是南北向平移振動(dòng)信號(hào)測試,第二工況為東西向平移振動(dòng)信號(hào)測試,第三工況為樓板豎向振動(dòng)信號(hào)測試。信號(hào)數(shù)據(jù)處理由采集系統(tǒng)配套軟件依靠計(jì)算機(jī)完成,動(dòng)力測試結(jié)果見表3.1。
根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式[4],可以算得結(jié)構(gòu)的第1自振頻率為1.814Hz,根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式[5],可以算得結(jié)構(gòu)第1自振頻率范圍1.786~2.381Hz。由測試結(jié)果可以看出,實(shí)測頻率值大于經(jīng)驗(yàn)公式取值,即實(shí)測周期比經(jīng)驗(yàn)周期短,認(rèn)為測試結(jié)果正常,當(dāng)前廠房結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。由實(shí)測得出的基本周期比經(jīng)驗(yàn)周期短的原因,是因?yàn)槊}動(dòng)測試時(shí)結(jié)構(gòu)處于微小振幅下,而且經(jīng)驗(yàn)公式也是由大量的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總結(jié)所得,設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)數(shù)學(xué)模型的簡化對(duì)周期有影響,加上計(jì)算采用的最大荷載,通常都大于實(shí)際結(jié)構(gòu)重量,因而實(shí)測所得的基本周期會(huì)比計(jì)算所得的短,通常也小于經(jīng)驗(yàn)公式所得值。相反,如若實(shí)測周期較明顯大于經(jīng)驗(yàn)公式值,則說明結(jié)構(gòu)很可能存在某方面的問題。
廠房結(jié)構(gòu)在機(jī)器設(shè)備時(shí)其阻尼比未明顯增大,說明該結(jié)構(gòu)無明顯的內(nèi)部質(zhì)量損傷。另外,設(shè)備運(yùn)行引起的樓面最大振幅為0.032mm,其值小于ISO推薦及聯(lián)邦德國(DIN4150)的建筑振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn);樓面振動(dòng)最大加速度為7.71cm/s2,其值小于日本煙中元弘歸納的建筑物允許振動(dòng)界限值[2]。參照國外標(biāo)準(zhǔn),由測試結(jié)果認(rèn)為樓板振動(dòng)在安全限度內(nèi)。
3.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。
該工程抗震設(shè)防類別為丙類,抗震等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)可以取為1.0,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,場地類別為II類。
根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2],基本風(fēng)壓為0.40KN/m2,地面粗糙度取為B類,基本雪壓0.65KN/m2。有關(guān)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值如下:不上人屋面活載為0.5KN/m2;上人屋面活載為2.0KN/m2;樓板活荷載為3.5KN/m2;樓梯活載為3.5KN/m2;走道活載為2.0KN/m2;其余的具體荷載根據(jù)有關(guān)規(guī)范和具體情況取值。結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM程序,由于本文篇幅限制,計(jì)算過程及詳細(xì)結(jié)果略。
計(jì)算所得底層中柱(位于軸)軸壓比相對(duì)較高,富余量不多。結(jié)構(gòu)標(biāo)高28.770m處第①~③軸線之間的現(xiàn)澆混凝土樓板的實(shí)際配筋基本滿足設(shè)計(jì)要求,但樓板承載能力沒有富余。檢查原結(jié)構(gòu)竣工圖紙表明原框架柱的實(shí)際所配鋼筋均能滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4 結(jié)構(gòu)安全性鑒定和加固處理建議。
通過對(duì)房屋結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)查、檢測及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析,可得如下結(jié)論和建議:
(1)根據(jù)現(xiàn)場量測,該房屋現(xiàn)狀良好,主要結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸與原設(shè)計(jì)基本相符,截面尺寸偏差在現(xiàn)行規(guī)范允許的范圍內(nèi),施工質(zhì)量較好。
(2)根據(jù)混凝土回彈和鉆芯取樣的檢測結(jié)果,認(rèn)為結(jié)構(gòu)中的混凝土材料實(shí)際強(qiáng)度基本達(dá)到原設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求,但混凝土的碳化深度較深。
(3)結(jié)構(gòu)動(dòng)力測試結(jié)果表明,廠房雖已投入使用20多年,但實(shí)測頻率值大于經(jīng)驗(yàn)公式取值,表明測試結(jié)果正常,從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度認(rèn)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況保持良好。
(4)對(duì)原結(jié)構(gòu)竣工圖紙的檢查表明,該廠房結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施基本能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。
(5)建議設(shè)置沉降觀測點(diǎn),以滿足沉降觀測的要求。在以后的使用過程中應(yīng)注意對(duì)沉降的監(jiān)測,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患,確保結(jié)構(gòu)安全使用。
(6)由于混凝土的碳化深度較大,建議對(duì)外露的混凝土構(gòu)件進(jìn)行粉刷,防止碳化深度繼續(xù)增加。
4. 結(jié)論與建議
(1)隨著社會(huì)的發(fā)展,以人為本發(fā)展新概念的深入人心,人們對(duì)房屋使用安全不斷提出更高的要求,更加準(zhǔn)確科學(xué)鑒定房屋的安全狀況勢(shì)在必行,因此,作為房屋安全鑒定重要手段的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測也將隨著社會(huì)的發(fā)展而發(fā)展。
(2)建筑物的動(dòng)力特性是建筑物自身固有的特性,一般是指建筑物的自振頻率(周期)、振型及阻尼比。從結(jié)構(gòu)固有特性的變化來識(shí)別建筑物的質(zhì)量狀況,結(jié)合靜力檢測識(shí)別和經(jīng)驗(yàn)識(shí)別手段,進(jìn)行房屋安全性鑒定,從而能使鑒定水平更加全面科學(xué),這不失為房屋安全鑒定方面的又一進(jìn)步。
(3)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試只是房屋安全鑒定的一個(gè)手段,還要與其他鑒定工作一起進(jìn)行全面分析,綜合評(píng)定才能得到滿意的結(jié)果。
(4)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測試應(yīng)用前景廣闊,房屋安全性鑒定是其一方面的應(yīng)用,另外測試的動(dòng)力特性在驗(yàn)證理論計(jì)算公式、總結(jié)規(guī)律給出簡易用的結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期計(jì)算公式、從實(shí)測數(shù)據(jù)分析建筑物的振動(dòng)現(xiàn)象、實(shí)測得到結(jié)構(gòu)的阻尼比、尋找減小振動(dòng)的途徑等方面具有重要意義[2]。
(5)利用現(xiàn)場實(shí)測得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是建筑物建成后的實(shí)際動(dòng)力特性,因此是準(zhǔn)確可靠的。通過實(shí)測手段對(duì)各種不同類型的建筑物進(jìn)行測試后,可歸納總結(jié)出某個(gè)規(guī)律,得到計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期的經(jīng)驗(yàn)公式,方便實(shí)用。然而,現(xiàn)實(shí)中在這方面還缺乏系統(tǒng)規(guī)范性的工作,大量的實(shí)測研究工作有待開展。
(6)結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)測方面的國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有待擬定和出臺(tái)。動(dòng)力檢測硬件設(shè)備可以說已比較成熟,現(xiàn)在面臨的問題是,對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)的利用還處于定量的帶有很大經(jīng)驗(yàn)性的無章可循的層面上,以至于影響其在實(shí)際工程中的應(yīng)用速度和為人所接受的程度,也因此阻礙著動(dòng)力檢測技術(shù)自身的發(fā)展,希望相關(guān)方面的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)早日出臺(tái)。
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