一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法

摘要

本发明公开了一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法，基于动力检测技术，结合参数识别方法和有限元修正技术实现高层与高耸结构的承载能力评价，包括以下步骤：高层与高耸结构设计状态，可根据施工验收资料进行模型修正有限元分析，初步确定高层与高耸结构的振型参数和频率参数，并初步确定高层与高耸结构的振型响应显著区域及受力变形热点区域；高层与高耸结构动力输入拾振器设置。本发明的优点是：解决了基于静力检测技术的高层与高耸结构承载能力评价的局限性，可操作性强，评定过程耗时少、评价费用低，适用范围更广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程检测评定技术方法，更具体的说，是涉及一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法。

背景技术

由于混凝土碳化、钢筋锈蚀、风荷载、交通荷载的不断重复及增加以及日常的维修欠缺，高层与高耸结构在服役一段时间后将产生各种结构损伤，导致结构承载力降低，运营状况不能满足规范要求。但是对既有高层与高耸结构进行直接研究既影响正常运营也耗时耗力，事倍功半。在工作室中进行数值仿真分析，则不仅可以摆脱实际复杂情况不便，降低成本提高效率，还可以反复深入地研究损伤机理，提高研究水平。

高层与高耸结构不仅包含建筑高度200m及以上的建筑结构，也包含建筑高度100m及以上的大跨径桥梁高耸主塔和观光塔，同时包含建筑高度50m及以上的输电塔，这些建筑物或构筑物的典型特点是自重大，风、温度、交通或地震等荷载作用下动力响应显著。同时由于建筑高度的限制，对其进行日常检测或维护十分困难，十分耗时，且会消耗大量的人力、财力和物力。高层与高耸结构的承载力会随着构件材料性能降低以及外界荷载反复作用和日常维护欠缺等因素影响而降低。同时由于高层与高耸结构在现代社会发展中所扮演的角色越来越重要，当其因承载能力不足而无法正常运营或垮塌时会带来巨大的社会经济损失和人身安全威胁。高层与高耸结构的承载能力评定是对高层与高耸结构的运营状况、使用性能和承载能力评估的一种方法。

目前高层与高耸结构承载能力评估主要有两种方法：静力评价法和动力评价法。静力评价法主要通过对高层与高耸结构的静力参数进行检测，由构件到整体对高层与高耸结构进行承载能力评估，但是由于高层与高耸结构静力参数检测可操作性和时效性的限制，静力评价方法在高层与高耸结构承载能力评价中的应用有显著的局限性。动力评价法主要是对高层与高耸结构进行动力参数检测，间接获得结构的使用性能和承载能力，但是由于高层与高耸结构动力参数的变异性，目前尚未有成套有效的基于动力检测技术的高层与高耸结构承载能力评价方法，这极大地限制了动力评价方法在高层与高耸结构承载能力评价中的应用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，而提供一种可操作性强，评定过程时效性好、评价费用低、应用范围广的一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法。

本发明的一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法，基于动力检测技术，结合参数识别方法和有限元修正技术实现高层与高耸结构的承载能力评价，包括以下步骤：

步骤1  高层与高耸结构设计状态，根据施工验收资料进行模型修正有限元分析，初步确定高层与高耸结构的振型参数和频率参数，并初步确定高层与高耸结构的振型响应显著区域及受力变形热点区域；

步骤2  高层与高耸结构动力输入拾振器设置；

步骤3  高层与高耸结构动力响应拾振器设置；

步骤4  典型动力环境选取及结构动力输入与响应数值获取；

步骤5  利用特征系统实现算法或随机子空间等方法对结构动力响应参数进行识别，获得高层与高耸结构的动力振型、频率、阻尼和应力幅参数；

步骤6  对不同使用状况、不同服役周期、不同结构形式的高层与高耸结构重复步骤2至步骤5，逐步建立高层与高耸结构的动力参数检测数据库；

步骤7  基于高层与高耸结构的动力参数数据库，利用有限元软件响应面方法对高层与高耸结构的设计状态有限元分析模型进行修正，进而利用修正后的有限元分析模型实现高层与高耸结构的使用状态和承载能力评价。

所述动力响应拾振器布置位置的选择原则是选择高层与高耸结构振型、频率、动力响应、应力应变热点区域设置拾振器。

所述步骤4中的典型动力环境包括类静止环境，微风环境，大风环境，台风环境，地震环境。

所述步骤2-3中所述的高层与高耸结构动力输入和响应拾振器包括临时设置的拾振器和高层与高耸结构健康监测系统设置的拾振器。

所述步骤6中的结构动力参数检测数据库应根据不同的结构形式，不同的振动环境，不同的服役年限分阶段分层次建立。

所述步骤7中的高层与高耸结构有限元模型修正应从该结构施工期间开始持续到该结构退出运营为止。

本发明的有益效果是：（1）解决了基于静力检测技术的高层与高耸结构承载能力评价的局限性，可操作性强，评定过程耗时少、评价费用低，适用范围更广。（2）适用于包括高层或超高层建筑结构、观光塔、信号接收塔、输电塔、斜拉桥或悬索桥主塔等高层与高耸结构，尤其是在施工阶段或使用阶段已设置施工或使用阶段监测系统的建筑物或构筑物，该方法对高层与高耸结构的承载能力评定具有很强的可操作性和指导意义。

附图说明

图1是本发明操作步骤示意图一；

图2是本发明操作步骤示意图二；

图3是本发明操作步骤示意图三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

在图中，本发明的一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法，基于动力检测技术，结合参数识别方法和有限元修正技术实现高层与高耸结构的承载能力评价，包括以下步骤：

步骤1  高层与高耸结构设计状态，根据施工验收资料进行模型修正有限元分析，初步确定高层与高耸结构的振型参数和频率参数，并初步确定高层与高耸结构的振型响应显著区域及受力变形热点区域；

步骤2  高层与高耸结构动力输入拾振器设置；

步骤3  高层与高耸结构动力响应拾振器设置；

步骤4  典型动力环境选取及结构动力输入与响应数值获取；

步骤5  利用特征系统实现算法或随机子空间等方法对结构动力响应参数进行识别，获得高层与高耸结构的动力振型、频率、阻尼和应力幅参数；

步骤6  对不同使用状况、不同服役周期、不同结构形式的高层与高耸结构重复步骤2至步骤5，逐步建立高层与高耸结构的动力参数检测数据库；

步骤7  基于高层与高耸结构的动力参数数据库，利用有限元软件响应面方法对高层与高耸结构的设计状态有限元分析模型进行修正，进而利用修正后的有限元分析模型实现高层与高耸结构的使用状态和承载能力评价。

所述动力响应拾振器布置位置的选择原则是选择高层与高耸结构振型、频率、动力响应、应力应变热点区域设置拾振器。

所述步骤4中的典型动力环境包括类静止环境，微风环境，大风环境，台风环境，地震环境。

所述步骤2-3中所述的高层与高耸结构动力输入和响应拾振器包括临时设置的拾振器和高层与高耸结构健康监测系统设置的拾振器。

所述步骤6中的结构动力参数检测数据库应根据不同的结构形式，不同的振动环境，不同的服役年限分阶段分层次建立。

所述步骤7中的高层与高耸结构有限元模型修正应从该结构施工期间开始持续到该结构退出运营为止。

如图1、图2和图3所示，参照高层与高耸结构的设计图纸、施工技术资料等，建立高层与高耸结构的初始状态（设计状态）有限元分析模型。有限元分析主要得到结构的整体分析模型，并确定高层与高耸结构的基本参数（振型、频率、应力应变热点区域等）。高层与高耸结构初始状态有限元分析模型建立的原则是符合设计图纸，并尽量调整结构参数使有限元分析模型的振型、频率、阻尼等符合施工验收时高层与高耸结构的实测参数。

参见图1高层与高耸结构动力输入拾振器设置：依据高层与高耸结构的设计资料，选取高层与高耸结构振动输入信号热点区域，选取高层与高耸结构基础底部设置地震动输入拾振传感器（当高层与高耸结构有健康监测系统时，利用健康监测系统组成部分的强震仪或加速度传感器）；选取高层与高耸结构冠顶设置风速仪监测风荷载输入信息，风速仪选择机械式或超声波式风速仪。振动信号输入拾振传感器的布置个数需根据结构建筑规模和建筑高度来确定，对于建筑高度超过300m的高层与高耸结构每100m设置一个风速仪。

参见图2高层与高耸结构动力响应拾振器设置：依据高层与高耸结构的初始状态（设计状态）有限元分析计算结果，在结构振型响应热点区域（振型的波峰或波谷位置）设置加速度传感器，在结构应力应变热点区域设置应力应变传感器（剪力墙或核心筒底部，环带桁架，框架柱或框架梁等），在结构位移响应热点区域设置位移传感器（结构顶部），沿结构高度均匀布置温度传感器，在结构风荷载作用热点区域设置风压传感器（根据高层与高耸结构的风洞试验确定风压热点区域）。

参见图3沿高层与高耸结构建筑高度范围内按就近原则设置加速度传感器、位移传感器、风速仪、风压传感器、应力应变传感器、温度传感器等结构输入响应采集设备，建立高层与高耸结构的动力检测系统（有条件时可利用高层与高耸结构既有的健康监测系统），利用动力检测系统获取高层与高耸结构的动力输入和动力响应，并根据不同的动力输入信号划分不同的结构响应等级。

利用高层与高耸结构的动力检测系统获取的结构动力输入和响应数据，利用特征系统实现算法(ERA)或随机子空间等方法对结构动力响应参数进行识别，获得特定动力输入条件下的高层与高耸结构的动力参数（振型、频率、阻尼和应力幅等）。

在高层与高耸结构施工期间和使用期间分阶段，依据结构不同的使用状况，不同服役期限，不同结构形式分阶段分层次建立高层与高耸结构动力参数检测数据库，并对比分析随着施工周期或使用周期的增长高层与高耸结构动力参数的变化趋势。

基于高层与高耸结构的动力参数数据库，在较全面掌握随服役年限增长和使用状况变化高层与高耸结构动力参数的变化趋势后，利用有限元软件响应面方法对高层与高耸结构的设计状态有限元分析模型进行修正，进而利用修正后的有限元分析模型实现高层与高耸结构的使用状态和承载能力评价。

如图1-图3所示，本发明的一种高层与高耸结构动力检测承载能力评价方法实施过程：

1) 依据设计图纸和相关施工技术资料，利用ANSYS软件建立超高层结构的施工全过程有限元分析模型和使用期间结构有限元整体分析模型，初步确定所需该结构动力响应显著的前三阶振型作为承载能力评定的重点评定振型，并获得结构设计状态下前三阶振动频率分别为0.2Hz、0.6HZ和1.7Hz，及结构应力应变热点区域（核心筒底部、结构转换层），风荷载热点区域（200m以上）等；

2) 依据结构动力响应有限元分析结果，分别在该超高层结构的冠顶位置和地下室底部设置超声波式风速仪和强震仪，并沿结构高度均匀设置5个941B型加速度传感器，以获取该结构的动力输入数据；

3) 待结构的动力输入传感器设置完成后，依据使用期间结构有限元整体分析计算结果，确定该超高层结构的风荷载响应、位移响应、前三阶振型响应（加速度响应）、应力应变热点区域，分别在上述热点区域设置风压传感器，位移传感器，加速度传感器，加速度传感器，应力应变传感器，并沿结构的高度均匀布置温度传感器，获取该结构的动力响应数据；

4) 在对应的设置结构动力输入和动力响应传感器的位置，按就近原则设置对应的动力采集设备，选择典型的结构振动环境（如无风或微风的夜间，无风或微风的中午，大风或台风过境时等）以及不同的服役期限（竣工验收时，服役5年，服役10年，服役20年等）获取结构的动力输入和响应数据，建立相应的数据库；

5) 利用随机子空间方法对获取结构典型振动环境的动力输入和响应数据进行结构参数识别，并按照不同的结构振动环境，不同的结构服役年限建立结构振型、频率、阻尼、动应变等动力参数；

6) 建立按不同振动环境（无风或微风的夜间，无风或微风的中午，大风或台风过境时），不同服役年限（竣工验收时，服役5年，服役10年，服役20年，服役25年，服役30年）分阶段划分的该结构振型、频率、阻尼比、动应变等动力参数检测数据库，并对比分析得到该结构随使用年限延长，振动环境变化动力参数的变化趋势；

7) 利用该超高层结构的动力参数数据库和该超高层结构的初始状态（设计状态）有限元分析模型，分阶段利用有限元软件响应面方法对结构的初始状态有限元分析模型进行修正，进而利用修正后的有限元分析模型实现高层与高耸结构的使用状态和承载能力评价，建立该超高层结构的健康管理系统。