CN106404914A - 一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，包括确定测试方案；首次测试，建立木塔的动力特性基准，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况；进行第2次至第n次测试，第n次的测试结果除了与首次测试结果对比外，还应与第n‑1次测试结果进行对比分析，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况变化情况；再结合环境变化以及结构现状检查分析。本发明综合了实际的边界条件、材料性能、施工质量、节点约束等实际情况，测试结果准确可信，通过测试分析得出的频率、振型及阻尼比的变化对比分析，可定性判断木塔的结构损伤及安全状况。

Description

一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，尤其涉及一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法。

背景技术

建筑物的动力特性(包括频率/周期、振型及阻尼比等)是建筑物自身固有的特性。建筑物建成并投入使用后，其动力特性参数就基本固定或变化较小。建筑物在使用过程中，受到环境影响、使用功能改变以及自然灾害等影响都可能会使建筑的动力特性参数发生变化，根据建筑物的动力特性变化，可论证和判定建筑物结构性能变化。

在动力特性测试中，拾振器将结构上某一点随时间变化的运动量转化为模拟电信号，数据采集器内的A/D转换器以等时间间隔采样模拟信号，并转换成能通过处理软件进行进一步处理的数字信号。目前通常采用941B型超低频测振仪进行结构动力特性测试，数据采集及处理系统包括：941B型拾振器用于测试时的信号采集；INV-3060S智能信号采集处理分析系统由INV-3060S采集仪和DASP V10软件组成，用于对放大的脉动信号进行采集、放大、存储和分析处理。测试设备系统经中国测试技术研究院进行设备系统检定，检定结论为合格。

历史建筑无论从材料本身、构造工艺等都与近现代建筑相差较大，由于历史建筑的造型独特、构造复杂以及材料性能退化、现场检查检测工作量大面广且技术难度复杂等，采用计算机模拟难度较大，且模拟的材料本构模型与实际模型的差别、假定的边界条件与实际情况的差异、网格划分精度影响等，往往需要相关试验的支撑和佐证。

应县佛宫寺释迦塔，俗称应县木塔，位于山西省应县县城内西北隅。木塔建于辽清宁二年(公元1056年)，塔身高大，塔身全高67.31m，八角六檐，明五暗四共九层，塔体采用底层双壁、塔身双筒式木质构架，下部修建了高敞的砖石台基。应县木塔是我国现存时代最久、体量最宏大的木结构楼阁式建筑,堪称世界建筑史上的杰作,于1961年被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位，应县木塔现状见图2。

应县木塔作为木结构历史建筑的典型代表，由于其结构及造型复杂，且木结构的节点无法完全采用计算机进行有效模拟。为了应县木塔的保护和可持续利用，将动力特性测试技术用于应县木塔的结构性能监测，定性判断其结构损伤及安全状况，为该类历史建筑的保护提供一种简捷的结构损伤及安全状况的评估测试技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，旨在解决理论计算中不能准确考虑历史建筑木结构的材料性能退化影响、构件节点约束模型与实体模型的差异、材料本构模型与实际模型的差别、假定的边界条件与实际情况的差异、网格划分精度影响，理论计算往往需采用简化的模型进行分析，导致单纯的理论模拟分析一般不具有独立可靠性，往往需要相关试验的支撑和佐证的问题。

本发明是这样实现的，一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，采用脉动法对应县木塔的动力特性进行测试，包括以下步骤：

步骤一，确定测试方案，主要包括测试方法、测试的时间间隔、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容。具体要求如下：

1)测点应布置在各层相对的结构中心的位置，为了避免楼盖局部振动的影响，应布置在梁柱节点并靠近柱附近。因应县木塔的木柱靠周围布置，楼层的测点就布置在梁柱节点并靠近柱附近，一层明层的测点布置在内筒墙附近，顶层测点布置在塔顶莲花座底座处。共沿木塔竖向布设11个测点，分别布设在一层明层(地面)、一层暗层、二层明层、二层暗层、三层明层、三层暗层、四层明层、四层暗层、五层明层、五层明层柱顶，及塔顶莲花座底座处，除一层明层和塔顶莲花座底座处外，其余测点布置均紧靠木塔正北偏东内槽柱柱脚。测点布置竖向示意图见图2。

2)每个测点分别布置水平向拾振器，测试木塔在东西向和南北向水平方向上的振动。

3)测试分别在有游人参观和无游人参观两种工况下进行了数据采集，每种工况又分为东西向和南北向两个方向的振动测试，每种工况在东西向和南北向分别采集了木塔在脉动激励下的加速度响应。

步骤二，首次测试，建立木塔的动力特性基准，以后每次测试结果应与首次测试结果进行对比分析。根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况。数据分析要求如下：

1)频率的数据分析：实际应用中结构自振频率的识别常依据结构反应的自功率谱。但由于测量噪声和激励谱的影响，结构反应自功率谱的峰值处不一定是模态频率。可依据下列原则由结构反应频谱特征判断结构模态频率：①结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；②模态频率处各测点间的相干函数较大；③各测点在模态频率处具有近似相位或反相位的特点。

2)振型的数据分析：实际多自由度结构的响应由随机力激励引起的响应和由基础运动的激励引起的响应的合成，而由基础运动引起的响应又包含两部分，即地面刚性运动部分和结构弹性反应部分。一般来说，刚性运动部分很难从结构响应中去掉，所以当用结构响应互谱与自谱之比来确定振型时，有一定的近似性。这种近似性来源于：①假设当时，仅考虑单一振型的影响，认为其它振型的影响可以忽略；②结构响应中包含了地面刚性运动，它的存在不仅引起幅值误差，还有相位误差。一般工程结构都具有阻尼较小且频率间隔较大的特点，因此，采用结构动力响应互谱与自谱之比来确定振型的方法比较实用，这样一来，不仅可以回避输入不好确定的问题，而且由于是利用相对关系，还有利于提高数据处理中的信噪比。

3)阻尼比的数据分析：由于自谱和互谱包含了有关振型和频率响应函数的信息，这样，可依据自谱或互谱采用半功率点的方法计算阻尼比。下式可得振型的阻尼比：

式中，B_m是与第i振型有关的谱峰值的半功率点带宽。

步骤三，第2次测试……第n次测试，测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容应与首次测试完全相同；第n次的测试结果除了与首次测试结果对比外，还应与第n-1次测试结果进行对比分析，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况变化情况；再结合环境变化以及结构现状检查分析，能更有效、准确诊断木塔的损伤及安全状况。一般情况下，动力特性参数发生变化识别原则如下：

1)频率变化的结构损伤识别原则：主要以前3阶频率变化为依据，频率测试结果与第1次测试结果变化值在5％以内，可认为频率基本没有发生变化，结构整体刚度没有发生明显改变。变化值增大超过5％，可定性判断结构整体刚度有增加；变化值减小超过5％，可定性判断结构整体刚度有降低。

2)振型变化的结构损伤识别原则：对同阶振型的曲线趋势有无变化、曲线的光滑性有无变化、曲线的饱满度有无变化以及曲线上有无突变点变化。根据上述变化可准确判断结构损伤的所在的楼层。

3)阻尼比变化结构损伤识别原则：主要以前3阶频率对应的阻尼比变化为依据，阻尼比测试结果与第1次测试结果变化值在5％以内，可认为阻尼比基本没有发生变化，结构整体性没有发生明显改变。变化值增大超过5％，可定性判断结构整体性有降低；变化值减小超过5％，可定性判断结构整体性有增加。

本发明提供的对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，是现场对实体结构的动力特性进行测试，综合了实际的边界条件、材料性能、施工质量、节点约束等实际情况，没有理论简化的影响，测试结果是准确可信的。通过测试分析得出的频率、振型及阻尼比的变化对比分析，可定性判断木塔的结构损伤及安全状况，为该类历史建筑的保护提供一种简捷的结构损伤及安全状况的评估测试技术。

附图说明

图1是本发明实施例提供的对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法流程图；

图2是本发明实施例提供的应县木塔测点布置竖向示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

请参阅图1和图2：

本发明实施例的对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法包括以下步骤：

S101：确定测试方案，主要包括测试方法、测试的时间间隔、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容；

S102：首次测试，建立木塔的动力特性基准，以后每次测试结果应与首次测试结果进行对比分析，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况；

S103：第2次测试……第n次测试；测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容应与首次测试完全相同；第n次的测试结果除了与首次测试结果对比外，还应与第n-1次测试结果进行对比分析，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况变化情况；再结合环境变化以及结构现状检查分析。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例的对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法包括以下步骤：

(1)采用脉动法对应县木塔的动力特性进行测试，无需外力激振，不会由于测试对建筑物造成任何影响。

(2)间断监测。根据需要进行监测，监测结束后，所有监测用传感器、导线、屏蔽线等均撤离现场，不会留下任何由于监测造成的痕迹。

(3)为保证各次监测结果的可比性，每次监测均采用相同的测点布置方案，并在相同位置布置测点，所使用的仪器也均经过检定并可溯源至国际基准。

(4)沿木塔竖向布设11个测点，分别布设在一层明层(地面)、一层暗层、二层明层、二层暗层、三层明层、三层暗层、四层明层、四层暗层、五层明层、五层明层柱顶，及塔顶莲花座底座处，除一层明层和塔顶莲花座底座处外，其余测点布置均紧靠木塔正北偏东内槽柱柱脚。

(5)每个测点分别布置水平向拾振器，测试木塔在东西向和南北向水平方向上的振动。分别在有游人参观和无游人参观两种工况下进行了数据采集，每种工况在东西向和南北向分别采集了木塔在脉动激励下的加速度响应。

(6)首次测试时间为2008年2月24日～26日，第二次测试时间为2013年6月5日～6月7日。两次测试均分析了应县木塔的自振频率、振型、阻尼比及振幅，对比分析作出应县木塔的损伤及安全性评估定性结论如下：

1)从结构的自振频率来看，木塔东西向和南北向的第一阶自振频率相同且不变，第二阶、第三阶自振频率与第一次测试相比均有所降低，说明木塔的第二阶、第三阶自振周期变长，木塔内部结构产生了一定的损伤。

2)从结构振型图来看，木塔东西向和南北向的第四个测点(即二层暗层测点)位置的振型图拐点发生了改变，东西向的顶层测点位置(塔刹莲花座底座)的振型图拐点发生了改变，说明在木塔的二层暗层及塔顶位置发生了畸变，该位置处的结构受到一定的损伤。

3)从各振型的阻尼比来看，木塔东西向和南北向的结构一阶振型阻尼比平均值变大，第二次较首次分别增大18.5％、23.1％，可以定性推断木塔结构节点可能存在松动，结构的整体性有所降低。

4)从测试时段的加速度时域峰值统计结果来看，白天(有游客参观)工况下的东西向和南北向的部分测点加速度峰值及夜晚(无游客参观)工况下的东西向部分测点加速度峰值，与第一次相比均有变大趋势，这与本次测试时段下应县出现大风雷雨天气及木塔自身出现损伤综合原因所致。

本发明提供的对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，是现场对实体结构的动力特性进行测试，综合了实际的边界条件、材料性能、施工质量、节点约束等实际情况，没有理论简化的影响，测试结果是准确可信的。通过测试分析得出的频率、振型及阻尼比的变化对比分析，可定性判断木塔的结构损伤及安全状况，为该类历史建筑的保护提供一种简捷的结构损伤及安全状况的评估测试技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，其特征在于，所述对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法采用脉动法对应县木塔的动力特性进行测试，包括以下步骤：

步骤一、确定测试方案，包括测试方法、测试的时间间隔、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容；

步骤二、首次测试，建立木塔的动力特性基准，以后每次测试结果与首次测试结果进行对比分析，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况；

步骤三、进行第2次至第n次测试，测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容与首次测试完全相同；第n次的测试结果除了与首次测试结果对比外，还应与第n-1次测试结果进行对比分析，根据动力特性参数的变化情况，定性判断结构的损伤及安全状况变化情况；再结合环境变化以及结构现状检查分析。

2.如权利要求1所述对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，其特征在于，测点布置在各层结构中心位置，并布置在梁柱节点并靠近柱附近；

一层明层的测点布置在内筒墙附近，顶层测点布置在塔顶莲花座底座处，共沿木塔竖向布设11个测点，分别布设在一层明层地面、一层暗层、二层明层、二层暗层、三层明层、三层暗层、四层明层、四层暗层、五层明层、五层明层柱顶，及塔顶莲花座底座处，除一层明层和塔顶莲花座底座处外，其余测点布置均紧靠木塔正北偏东内槽柱柱脚；

每个测点分别布置水平向拾振器；

测试分别在有游人参观和无游人参观两种工况下进行数据采集，每种工况又分为东西向和南北向两个方向的振动测试，每种工况在东西向和南北向分别采集木塔在脉动激励下的加速度响应。

3.如权利要求1所述对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，其特征在于，数据分析要求如下：

频率的数据分析：依据下列原则由结构反应频谱特征判断结构模态频率：

结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；

模态频率处各测点间的相干函数较大；

各测点在模态频率处具有近似相位或反相位；

振型的数据分析：采用结构动力响应互谱与自谱之比确定振型；

阻尼比的数据分析：依据自谱或互谱采用半功率点的方法计算阻尼比，通过下式得到振型的阻尼比：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{B_m}{2f_m}$

式中，B_m是与第i振型有关的谱峰值的半功率点带宽。

4.如权利要求1所述对应县木塔的结构损伤及安全状况的测试方法，其特征在于，动力特性参数发生变化识别原则如下：

频率变化的结构损伤识别原则：以前3阶频率变化为依据，频率测试结果与第1次测试结果变化值在5％以内，认为频率基本没有发生变化，结构整体刚度没有发生明显改变；变化值增大超过5％，定性判断结构整体刚度有增加；变化值减小超过5％，定性判断结构整体刚度有降低；

振型变化的结构损伤识别原则：对同阶振型的曲线趋势有无变化、曲线的光滑性有无变化、曲线的饱满度有无变化以及曲线上有无突变点变化；

阻尼比变化结构损伤识别原则：以前3阶频率对应的阻尼比变化为依据，阻尼比测试结果与第1次测试结果变化值在5％以内，认为阻尼比没有发生变化，结构整体性没有发生明显改变；变化值增大超过5％，定性判断结构整体性有降低；变化值减小超过5％，定性判断结构整体性有增加。