一种基于简化悬臂梁的建筑物损伤评估方法

摘要

本发明公开了一种基于简化悬臂梁的建筑物损伤评估方法，具体包括如下步骤：(1)在框架结构楼层所在位置沿竖向均匀布置传感器5个或以上，传感器竖向连线应垂直于建筑物楼面；(2)实测出现工况时的传感器信号；将传感器收集的实测数据输入计算机系统进行处理；(3)利用计算机系统对实测数据进行频响函数分析，得出结构的某一阶频率和对应模态等动力参数；(4)利用计算机系统对实测结构模型简化为悬臂梁模型；(5)以动力参数数据为基础，导入悬臂梁模型中，得出结构各单元的弯曲刚度；(6)利用步骤(5)分析得出的结构单元弯曲刚度，对结构损伤进行评定，得出检测鉴定结论。本发明具有操作简单，且操作性强等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑物中框架结构质量评估方法，具体涉及一种基于简化悬臂梁的建筑物损伤评估方法。

背景技术

随着房屋建筑、公路交通、桥梁等工程安全事故的频繁发生，工程质量的好坏引起了人们的日益重视。工程结构中经常存在着表面的某种破损或缺陷，如梁板的裂缝、墙皮开裂、火灾后混凝土的过火等，这些肉眼可见的破损容易引起人们的重视，而旧有建筑物由于环境侵蚀缺陷、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等各种因素存在下，使结构在经历了一段较长时间或受到某种自然灾害后，往往受到不同程度的损伤，或由于结构的病害引起性能变化，导致突发事故或建筑物倒塌现象的发生，这类危险是肉眼看不见的内在缺陷、损伤所造成的。结构的缺陷和损伤严重的降低了结构的安全性、适用性、耐久性，如果不能及时的诊断出来并得到相应的维修，不仅会影响结构的正常使用，缩短结构的使用寿命，在某些极端情况下甚至会发生灾难性事故，产生极坏的社会影响。

传统的损伤检测方法主要是一些局部的土木工程缺陷检测技术，如人工目测及外观检测，无破损或半破损试验，如回弹法、超声波方法、磁场方法、雷达成像、涡流及温度场等方法，以及现场荷载试验等。此类检测评定具有显著的局限性：首先是检测的工作量大、费用高，其次是结构的一些部位人或测试仪器无法到达则无法检测；传统的检测方法只能检测结构表面或附近的损伤，一般来说难以获得结构的全面信息，而且检查结果的准确程度往往依赖于检查人员的工程经验和主观判断，难以对结构的安全储备及退化程度做出系统的评定。可见传统的损伤检测方法越来越难以胜任日趋繁重的检测任务。针对传统的损伤检测方法缺陷，发展快速、便捷、经济的，并能够应用于复杂结构的定性、定量的整体状况损伤检测方法己经成为迫切的要求，从而在合理评价其健康状态的基础上做出科学的维护决策。

目前现有技术存在的问题是，无法精确检测，评估的数据较为粗糙，不能准确定性结构的损伤情况，更不能进行准确的定量检测。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够准确定性和初步定量检测建筑损伤情况的方法，具有操作简单，且操作性强等优点。

实现上述目的，本发明采用如下技术手段：一种基于简化悬臂梁的建筑物损伤评估方法，其特征在于该方法操作简便且实用，具体包括如下步骤：

(1)在框架结构楼层所在位置沿竖向均匀布置传感器5个或以上，传感器竖向连线应垂直于建筑物楼面；

(2)实测出现工况时的传感器信号；将传感器收集的实测数据输入计算机系统进行处理。

(3)利用计算机系统对实测数据进行频响函数分析，得出结构的某一阶频率和对应模态等动力参数。

(4)利用计算机系统对实测结构模型简化为悬臂梁模型。

(5)以步骤(3)中分析的动力参数数据为基础，导入步骤(4)的悬臂梁模型中，利用改进的直接刚度法评估数据，得出结构各单元的弯曲刚度。

(6)利用步骤(5)中分析得出的结构单元弯曲刚度，对结构损伤进行评定，得出检测鉴定结论。

进一步，在步骤(1)中，所述的框架结构楼层使用12层钢筋混凝土标准框架，12层钢筋混凝土标准框架的模型比为1/10，梁、柱、板的尺寸由实际高层框架结构的尺寸按相似关系折算。标准框架竖向每隔两层安放至少5个传感器。

进一步，12层钢筋混凝土标准框架的材料使用微粒混凝土和镀锌铁丝为材质。

进一步，微粒混凝土以较大粒径的砂砾为粗骨料，以较小粒径的砂砾为细骨料。

进一步，步骤(4)的具体转化方式如下：

1)根据D值法确定各层柱的侧移刚度，考虑柱端的约束条件的影响，修正后的柱侧移刚度D用下式计算：

$D=\alpha \frac{12i_c}{h^2}---\left(1\right)$

式中，α为与梁、柱线刚度有关的修正系数，具体可查《混凝土结构基本原理中册(第5版)东南大学、天津大学、同济大学合编》第211页；i_c为柱线刚度；h为层高；

2)求出了D值以后，就可以求出每楼层的总刚度，悬臂梁模型单元按层高划分，所以各单位的刚度即为各楼层总刚度，进而形成简化的悬臂梁模型。

进一步，步骤(6)的具体损伤评定方式如下：

1)利用D值法，将该12层框架在工具箱中简化为悬臂梁基准模型，层间集中质量平均分布在竖向各单元上，每层单元的刚度取值参考前述的材料基本特性及几何模型。原模型及简化后模型如图4所示。

2)基于该试验的实测数据，对该试验中传感器A1～A7(振动方向)的各地震波下记录的输入输出信息进行频响函数分析，得出每个地震波工况下的结构一阶频率及其对应的沿竖向模态，未布置传感器的楼层取上下楼层模态数据的平均值。

3)将各对应地震波工况下实测数据计算的频率和模态，导入计算机系统利用改进的直接刚度法计算出各工况下的结构每层对应节点(如图4)的弯曲刚度，即各楼层刚度，改进的直接刚度法基本原理见清华大学工程力学杂志社2010年7月期刊《连续梁结构损伤识别的改进直接刚度方法》(作者：阳洋、周锡元等)。

4)根据试验现象，以结构第一次开裂前的8次工况下为无损状态，通过结构前8次工况下计算出的结构基频及楼层刚度对比分析，以前8次工况下的均值作为基准的无损刚度值，进一步计算出对应的SVI指标。

进一步，步骤(6)的损伤比对判别指标，其计算公式如下：

其中为实测的模态，为预测的模态，MDLAC指标值应取0～1之间，等于1表明预测模态和实测模态完全一致。

对比现有技术，本发明具有以下特点：

1.提出的刚度变化指标(SVI)是一种与损伤有关的折算指标，反映了结构在损伤部位物理特性的变化，具有明显的显示度，可以有效地用来进行损伤位置及其程度的识别。

2.在多处损伤情况下，SVI指标具有独立性，即某处损伤不受其他位置损伤的影响。

3.试验研究和数值模拟表明，发现仅需要提取结构受损后的某一阶模态，即可以利用改进的直接刚度法识别空间及平面梁类结构的损伤情况，简化了常规需要几阶甚至大量模态进行综合分析而评估损伤的繁琐；同时，也可以通过提取某几阶模态评估空间框架在不同方向上的损伤情况，在此基础上进行对比做进一步评估研究分析。

4.现场测试中通常不可能布置很多的测点，此时可以采用疏密不同的布点方案，局部加密测点，通过多次重复测试寻找损伤部位。

附图说明

图1为试验梁1各加载下工况的识别结果

图2为试验梁2各加载下工况的识别结果

图3为振动台模型尺寸和配筋图，，测点传感器对应位置为：基础顶面(测点号A1)；2层(测点号A2)；4层(测点号A3)；6层(测点号A4)；8层(测点号A5)；10层(测点号A6)；12层(测点号A7)。图形中加速度计方向为：平行于振动方向。

图4为12层框架原型、悬臂梁模型节点及对应圆圈内单元号(单位:毫米)

图5为识别的弯曲截面刚度随地震波累积情况的变化

图6为工况EL2到工况16WN下识别的SVI值

图7为试验梁传感器设置及测点示意图(单位：mm)

图8为模型尺寸和配筋图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

以下通过两根钢筋混凝土简支梁实测数据和一个振动台试验实测数据，对本发明方法进行验证，利用获得的SVI指标值对其损伤程度进行评估。

一、简支梁试验数据分析

首先，对清华大学结构工程与振动教育部重点实验室中的两个钢筋混凝土简支梁试验数据进行简单分析，验证该改进直接刚度法进行损伤识别的初步特性。该钢筋混凝土梁跨度7m，截面尺寸250mm×500mm，试验加载布置测点如图1所示，试验梁一采用两点对称加载，分别加载至20kN、50kN、80kN、100kN、130kN后卸载进行动测，获得自振频率和振型。试验梁二采用两点非对称加载，分别加载至20kN、45kN、90kN、115kN、150kN后卸载进行动测，获得自振频率和振型。具体设计参数及试验过程参见清华大学2008年博士论文《钢筋混凝土梁桥损伤识别方法的研究》第4.5节(作者：黄盛楠)，本次试验在动测过程中只测量了两根试验梁的一阶频率和一阶模态。由于本文方法在采用改进直接刚度法进行截面刚度估算的过程中只需要使用到某一阶频率和某一阶振型，因此可以应用本试验数据。

根据本试验负责人黄盛楠博士提供的试验数据，采用本文损伤评估方法的分析步骤如下：

1)按照《钢筋混凝土梁桥损伤识别方法的研究》第4.5.1节提供的试验概况在工具箱中建立基准有限元模型，模型单元按测点数量平均分配，考虑实际工程应用，为简化起见，模型中弹性模量按混凝土取值。

2)导入试验梁一和试验梁二在未加载及各级加载下测试的一阶频率及其对应模 态，利用改进直接刚度法计算出各自状态的截面弯曲刚度，以未加载下的截面弯曲刚度为无损状态，利用式改进的直接刚度法计算出对应的SVI指标值。

通过SVI值在各测点的大小即可判断两根试验梁的损伤情况，并与试验观察现象进行对比验证。试验梁1的试验现象见《钢筋混凝土梁桥损伤识别方法的研究》第4.5.2.1节，以跨中开裂为试验表象；试验梁2的试验现象见《钢筋混凝土梁桥损伤识别方法的研究》第4.5.2.2节，以跨中及靠近跨中右侧加载点开裂为试验表象。图1和图2对比了试验梁1和试验梁2各次加载荷载下识别的一阶模态、曲率、弯矩和相应的SVI值。从图1a和图2a中可以看出，测试的一阶模态中存在测量误差，但表现微弱；图1b和图1b显示了结构各加载下的曲率变化情况，可以看出，由于测量误差的放大，通过曲率识别出损伤位置是很困难的；图1c和图2c显示了结构各加载下的弯矩变化情况，可以发现，弯矩变化是连续的，测量误差对弯矩的影响较曲率不明显；进而通过图1d和图2d识别的各加载下的SVI值发现，试验梁1的最严重损伤位置发生在支座和跨中区域，试验梁2的最严重损伤位置发生在跨中及靠近跨中右侧加载点区域。在损伤区域，SVI值是接近试验实际的损伤情况，且随着荷载的增加，SVI值不断增大，表明损伤程度在不断增大，累积损伤的效果是明显的。与《钢筋混凝土梁桥损伤识别方法的研究》中4.5.2节描述的试验现象对比可以发现，通过改进直接刚度法得出的SVI指标进行简支梁损伤识别是合适的。

二、振动台试验的设立：

振动台试验是12层钢筋混凝土标准框架1/10模型，该振动台试验的相关材料及模型参数参考《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》(吕西林，李培振，陈跃庆)，利用《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》提供的资料进行数值模拟分析和实测数据的损伤评估分析。

三、12层钢筋混凝土标准框架振动台试验方案：

1、试验装置 

地震模拟振动台主要性能参数：

2、模型的相似设计：

表1中列出了模型各物理量的相似关系式和相似系数。

表1 试验模型的动力相似关系

3、模型的设计与制作

模型比为1/10，梁、柱、板的尺寸由实际高层框架结构的尺寸按相似关系折算。原型和模型概况见表2，模型尺寸和配筋图见图8。

模型材料采用微粒混凝土和镀锌铁丝。微粒混凝土是一种模型混凝土，它以较大粒径的砂砾为粗骨料，以较小粒径的砂砾为细骨料。微粒混凝土的施工方法、振捣方式、养护条件以及材料性能都与普通混凝土十分相似，在动力特性上与原型混凝土有良好的相似关系，而且通过调整配合比，可满足降低弹性模量的要求。

考虑计入隔墙、楼面装修的重量和50％活载，在板上配质量块配重。在标准层上布置每层19.4kg配重，在屋面层上布置19.7kg配重。

表2 原型和模型概况

4、材料性能指标

在浇筑模型的同时预留了试样，混凝土材性试验结果见表3，钢筋材性试验结果见表4。

表3 混凝土材性试验结果

注：(1)立方体抗压强度试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm；

(2)弹性模量试件尺寸为100mm×100mm×300mm；

(3)试样组号0F对应浇筑模型底座的微粒混凝土，不计入弹性模量平均值；

表4 钢筋的材性试验结果

5、试验加载制度

该振动台试验共考虑了4种地震波类型，逐级加载直至结构破坏，共计62个地震波工况。试验加载制度如表5所示，

表5 试验加载制度

注：EL—El Centro波(X单向)；EY—El Centro波(X、Y双向)；EZ—El Centro波(X、Y、Z三向)；

KB—Kobe波(X单向)；KY—Kobe波(X、Y双向)；KZ—Kobe波(X、Y、Z三向)；

SH—上海人工波(X单向)；SJ—上海基岩波(X单向)；X∶Y∶Z＝1∶0.85∶0.5

四、简化悬臂梁模型的实测数据分析方法

针对该12层标准框架振动台试验，由于数据资料及模型资料均已公布《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据，http://risedr.tongji.edu.cn/同济大学土木工程与防灾国家重点实验室振动台试验研究报告，2003》(吕西林，李培振，陈跃庆)，可以利用实测数据进行损伤评估。

该12层标准框架竖向每隔两层安放了传感器，传感器详细布置详见图1，输入地震波工况如表5所示。为了利用每个地震波工况下的实测数据，同时也为了检验该方法利用实测数据进行评估的可行性，利用D值法将该12层框架简化为悬臂梁模型，层间集中质量平均分布在竖向各单元上。模型如图2所示。利用该悬臂梁模型，即可利用实测的输出数据对该12层框架结构进行初步的损伤评估。

具体D值法简化模型方法如下：

1)根据D值法确定各层柱的侧移刚度，考虑柱端的约束条件的影响，修正后的柱侧移刚度D用下式计算：

$D=\alpha \frac{12i_c}{h^2}---\left(1\right)$

式中，α为与梁、柱线刚度有关的修正系数，具体可查《混凝土结构基本原理中册(第5版)东南大学、天津大学、同济大学合编》第211页；i_c为柱线刚度；h为层高。

2)求出了D值以后，就可以求出每楼层的总刚度，悬臂梁模型单元按层高划分，所以各单位的刚度即为各楼层总刚度，进而形成简化的悬臂梁模型。

该12层标准框架试验利用改进的直接刚度法进行损伤识别的具体步骤如下：

1)利用D值法，将该12层框架在工具箱中简化为悬臂梁基准模型，层间集中质量平均分布在竖向各单元上，每层单元的刚度取值参考前述的材料基本特性及 几何模型。原模型及简化后模型如图4所示。

2)基于该试验的实测数据，对该试验中传感器A1～A7(振动方向)的各地震波下记录的输入输出信息进行频响函数分析，得出每个地震波工况下的结构一阶频率及其对应的沿竖向模态，未布置传感器的楼层取上下楼层模态数据的平均值。

3)将各对应地震波工况下实测数据计算的频率和模态，导入计算机系统利用改进的直接刚度法计算出各工况下的结构每层对应节点(如图4)的弯曲刚度，即各楼层刚度。

4)根据《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》描述的试验现象，以结构第一次开裂前的8次工况下为无损状态，通过结构前8次工况下计算出的结构基频及楼层刚度对比分析，以前8次工况下的均值作为基准的无损刚度值，进一步计算出对应的SVI指标。

通过将对应各工况下的频率和模态导入计算机系统分析发现，结构的前8次工况(Case No.1～Case No.8，对应表5第2列1wn到7+wn)下识别的结构对应节点弯曲刚度(EI)是基本一致的，与均值相差比较发现，68％的节点弯曲刚度结果不超过均值5％，25％介于均与的5％～10％之间，7％介于均值的10％～15％之间，这里以前8次工况下的均值作为基准的无损刚度值进行SVI指标的计算。

对该试验中传感器A1～A7(振动方向)的各地震波下纪录的输出信息进行频响函数分析，提取各工况下的一阶频率及其对应方向模态，未放置传感器的楼层取上下楼层对应振动方向模态的平均值。导入计算机系统对应的简化悬臂梁模型中，基于改进的直接刚度法即可识别结构每层对应节点(如图2)的弯曲刚度，图5显示的是单元4、5和6对应节点4、5、6和7在各工况下识别的截面刚度随各工况(对应表5)的变化情况，可以发现，通过工具箱识别的截面刚度在地震波累积的情况下是逐渐减小的，从工况9到工况10(Case No.9～Case No.10，对应表5中第2列EL2到SH2)，也就是结构第一次发现裂缝对应的工况，刚度下降最明显。《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》第3部分试验现象描述为：在第10工况SH2后(相当于原型体系承受七度地震)，在4层平行于X振动方向的框架梁的梁端首先出现细微的自上而下和自下而上发展的垂直裂缝，缝宽小于0.05mm，即第一次发现开裂。利用损伤识别的结果计算 其对应的SVI值，即可初步判断结构的损伤位置，与试验现象所描述开裂位置所在楼层一致。

如图5所示，工况9到工况10损伤变化明显，同时由《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》研究发现，工况9(对应表5第2列中EL2)到工况17(对应表5第2列中16WN)为结构损伤变化最为明显的阶段，该阶段各工况下节点2到节点12(对应图7中节点号)识别的SVI指标值如图6所示。

在工况9后，通过频响函数识别的一阶模态结构频率为3.488Hz，该结构的基频为3.613Hz，这说明结构基本处于完好状态；在工况10后，结构的一阶频率降为2.989Hz，同时也正是在这次工况后，文献《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》第3部分试验现象描述为第一次发现了裂缝，通过图6可以发现，对应节点4到节点7的SVI值相对其他节点的值大，也就是说这几个节点对应楼层区域是损伤位置最为严重部位；在工况11后，结构主频下降到2.367Hz，从图6可以发现，节点3到节点8的SVI值增加情况最为明显，较其他节点变化大，其中节点4到节点7的SVI指标值为最大；在工况12以后，结构的主频未发生明显的变化，因此各节点的SVI指标值变化缓慢；通过图6识别SVI值可以发现，SVI指标值随着地震波的累积是逐渐增大的，也就是说损伤程度在不断增加；通过各节点之间的对比分析得知，结构在以上工况下2～8层的梁柱损伤情况较8层以上明显，其中2～8层中3到7层梁柱的损伤情况相对更为严重，这与《12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验的完整数据》第3部分试验现象：在第10工况后，在4层平行于X方向的框架梁发现裂缝，随后，裂缝继续开展，且向上面楼层发展，在第17工况后，平行于X振动方向的4～6层框架梁发现裂缝，之后，裂缝继续发展至第3层框架梁，且裂缝程贯通趋势；是基本一致的。

由12层框架模型试验现象描述可知，在工况SH2后，结构第一次发现了裂缝。因此对应此工况以及此工况后到工况16WN的模态，与前面8次工况(地震波很小，可认为无损工况)的模态数据可以用多损伤定位保证准则指标(MDLAC)值计算，多损伤定位保证准则指标是目前损伤识别中学者应用较为 普遍的损伤比对判别指标，其计算公式如下：

其中为实测的模态，为预测的模态，MDLAC指标值应取0～1之间，等于1表明预测模态和实测模态完全一致，因此即可将预测的结构损伤情况表示为结构实际的损伤。本试验具体计算值如下：

表6 有损地震波工况与无损地震波工况的MDLAC指标值

由表6可知，MDLAC指标值与1非常接近，也就是说按照多损伤定位保证准则，有损工况的模态数据与无损工况的模态数据基本一致，该有损工况也应该为无损工况。也就是说工况EL2到工况16WN都是无损工况，这与实际该试验观察现象完全相悖。同样，取后面有损工况下的模态数据进行MDLAC指标值计算也可得出上述与试验结构相悖的结论。

而通过本发明改进的直接刚度法，可以很明显的识别出结构第一次发现裂缝的损伤工况，见图3。改进的直接刚度法明显优于多损伤定位保证准则。