王 亮
(太原市万柏林区住建局，山西太原 030000)
对钢筋混凝土框架—剪力墙结构而言，其各阶自振频率主要由楼层高度，框架梁、柱、剪力墙以及填充墙的截面尺寸、截面形式、约束条件、材料性能、施工质量及损伤等共同决定。在楼层高度，各类构件的截面、约束条件等设计条件既定的情况下，结构的自振周期或振型则完全由混凝土和填充墙等材料的弹性模量和强度，构件的施工质量(包括均匀性和密实性)和结构损伤决定。因此，只要采用动测法测得结构各阶自振周期并将其与理论值进行对比，就能对结构的材料强度、施工质量和损伤的现状作出综合评估。
1 工程概况
某高层商住楼主体结构为地下1层，地上17层钢筋混凝土框剪结构，结构高度为56.45 m，裙楼结构为地下1层，地上3层钢筋混凝土框架结构。在对该结构进行混凝土强度检测中发现，该结构主体及裙楼的地下1层至地上6层结构实体混凝土强度未能达到设计要求，造成结构构件实际承载力下降。因此，由设计单位在不改变原结构体系及建筑功能的前提下，以提高结构构件承载力为目的提出了加固设计。加固方案为:混凝土梁采用粘钢加固法，混凝土柱采用加大截面法和外包型钢法，混凝土剪力墙采用加大截面法(墙肢延长及墙体加厚)，混凝土筏板基础加厚。
待该结构完成加固及其余7层至地上17层的主体结构部分的施工后，采用动测法对该结构加固后的整体性能进行了检测。
2 现有结构动力特性测试
1)测试过程概述。建筑物的动力特性是建筑物自身固有的特性，指建筑物的振动频率(或称振动周期)，振型和阻尼比，是十分重要的基本参数。建筑物的动力特性参数的测定可为结构整体安全性评估及损伤识别积累技术资料。
测试设备为北京东方噪声与振动研究所开发的INV-6智能信号采集处理分析系统，利用该套测试系统进行环境脉动试验，可顺利完成测试数据从采集、滤波、时域到频域的转换的全过程，从测试数据中判别出结构的各阶自振频率，根据实测的自振频率测得结构的振型。测试系统见图1。
图1 测试系统
结构平面上测试点布置见图2。测试时在每层均布置测点，且各层测点位置相同。
图2 结构振动方向和平面测点位置
根据现场测试采集数据，经分析处理后得到结构纵向、横向和扭转的前3阶模态的频率、振型和阻尼，见表1。
表1 结构实测自振频率和阻尼
2)测试结果分析。依据GB 50009-2001建筑结构荷载规范(2006版)附录E中给出的钢筋混凝土框架—剪力墙结构的基本自振周期经验公式经计算，该结构水平横向基本自振周期T1=0.887 s，水平纵向基本自振周期T1=0.731 s。对比可知实测周期值与经验公式计算值差别不大，吻合较好，表明现有结构基本上符合一般钢筋混凝土框架—剪力墙结构应有的刚度和质量分布，实测数据可信度较好。
3 现有结构有限元仿真分析
采用有限元程序Midas的前处理模块，根据结构几何尺寸、材料参数，建立结构三维有限元分析模型，进行结构模态有限元分析，得到结构自振频率、周期及振型曲线图等结构动力特性参数的理论解。表2给出了结构前3阶水平横向、水平纵向及扭转的自振周期和频率的理论解。依据JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程第4.3.16条规定，结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减。又依据4.3.17条规定，当非承重墙体为砌体墙时，对框架—剪力墙结构的计算周期自振折减系数可取0.7～0.8，本次计算折减系数选取 0.8。
表2 M idas计算得到的结构自振周期及频率
4 现有结构工作性能分析
表3给出了实测的结构各阶自振频率与Midas计算折减的结构各阶自振频率的对比结果。根据表3中结果分析，两种方法得到的结构自振周期值与频率值较为接近，结构实测振型同理论计算振型基本相符。二者数据之间存在一些误差，主要原因是:相对于比较复杂的实际结构，理论计算都要经过简化，而且实际结构的质量分布，材料的实际性能、施工质量等都较难以非常精确地计算。
表3 结构自振频率实测值与理论计算值对比
从表3中数据分析，该结构两个主轴方向(水平横向与水平纵向)的实测自振周期(频率)和计算自振周期较为接近，符合GB 50010-2010建筑抗震设计规范［4］第3.5.3条结构在两个主轴方向的动力特性宜相近的规定。根据JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程［5］第4.3.5条，对于A级高度高层建筑，其结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.9，而该结构的Midas计算折减后周期比和现场实测周期比分别为0.85和0.88，满足规范要求。
结构理论计算周期、实测周期与经验公式计算周期三者较为接近，说明经加固施工后的该高层商住楼现有结构具有一般钢筋混凝土框架—剪力墙结构应有的质量和刚度分布。总体上看，针对该高层商住楼主体及裙楼的地下1层至地上6层结构实体的加固工程切实提高了该结构的整体刚度，加固范围内结构的刚度与上部未加固结构的刚度符合结构侧向刚度下大上小、逐渐均匀变化的要求，现有结构的抗侧力构件工作性能较好，实际结构整体性、刚度及质量的分布情况亦较好。
另外，该结构各阶自振频率的测量值普遍大于该结构各阶自振频率的理论值，这充分说明该结构的材料性能和施工质量整体上能够达到设计要求(注:当该结构实际材料强度或弹性模量达不到设计要求或者结构施工过程中存在大量施工质量缺陷时，结构的实际刚度就会小于其按照设计假设条件计算得到的理论刚度，众所周知，在其他条件不变的情况下结构的刚度越大，其频率越高，因此当结构实际刚度小于理论刚度时，结构的实测频率就会低于结构的理论频率;相反当结构的实测频率高于结构理论频率时，结构的实际刚度大于理论刚度，这就从侧面说明结构实际材料性能和施工质量能够达到设计要求的水平)。
5 结语
1)当受到现场检测条件的限制，常规结构检测方法难以操作时，可以采用结构动力特性测试和软件仿真计算相结合的动测法检测现有结构整体性能。
2)采用动测法检测现有结构整体性能时，可以配合施工外观质量、结构变形、损伤的现状等因素来综合反映结构的安全性和使用性。
［1］陈波华，李志国，王家瑛，等.动测法在火损结构加固中的应用［J］.工业建筑，2007(3):21-22.
［2］李家伟，陈积懋.无损检测手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.
［3］汤世民.论建筑结构工程质量检测中的无损检测技术［J］.四川建材，2009(7):96-98.
［4］GB 50010-2010，建筑抗震设计规范［S］.
［5］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.
