CN111929722B - 一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，包括：清理场地；各楼层质心部位布置力平衡加速度传感器进行微震检测；利用动态数据采集仪采集的地脉动微振动信号快速识别结构动力特性参数，得到结构自振周期、振型、阻尼比；求解各层间水平刚度ki，建立结构的等效简化多自由度质点‑梁模型；用弹性与弹塑性时程分析方法开展质点‑梁模型结构的响应分析；采用层间位移角作为指标进行结构的抗震性能评估；给出目标结构的鉴定结果。本发明避免了数值建模与设计思路的重复性，解决了既有老龄期钢筋混凝土结构抗震性能评估速度慢、计算分析工作量大的问题，节约了大量时间与资金的投入，具有可靠度高、操作难度低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构抗震评估领域，更为具体的是一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法。
背景技术
近年来，地震对于建筑结构的破坏给全球各国带来难以估量的损失，人们也越来越强烈希望能够改善处于老龄期既有建筑物的抗震性能。目前，以多层或小高层钢筋混凝土结构为主的城镇老旧小区改造工程正在逐步推进，其中，如何进行高效且精准地评估加固前后结构的抗震性能是一个亟待研究的课题。
国内外已发表大量有关评估建筑结构抗震性能方法研究的论文及著作。最初的经验评估法方便快捷，准确度具有一定依据，然而其对评估人员的要求较为苛刻且受主观性影响；Pushover法是一种基于静力非线性法的分析方法，高效便捷，易于科研研究人员所掌握；以增量动力时程分析为主的结构抗震分析方法，可依据建立有限元分析模型来模拟映射出结构的动力特性，是一种有效与精度兼顾的方法。但是，上述方法中除经验法外大多都是通过建立结构模型，然后参照一定的数据和经验假定参数进行数值计算，需要进行大量的前处理以及较繁琐的分析计算。此外，既有结构因实际施工选材以及时间变迁的缘故，在动力特性上与最初设计方案也存在一定的差别。因此，上述方法很难评估加固前后老旧建筑结构的实际性能。
发明内容
为解决上述现有技术的不足之处，本发明提供一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，避免了数值建模与设计思路的重复性，解决了既有钢筋混凝土结构服役过程中抗震性能评估速度慢、计算分析工作量大的问题，提高了评估效率，减少时间与资金的投入，具有可靠度高、操作难度低等优点。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，具体包括如下步骤：
第一步骤：清理场地,确保所测结构无人为扰动；
第二步骤：选择结构各楼层质心部位布置力平衡加速度传感器进行微震检测；
第三步骤：利用动态数据采集仪采集的地脉动微振动信号快速识别结构动力特性参数，得到结构自振周期、振型、阻尼比；
第四步骤：求解各层间水平刚度ki，建立结构的等效简化多自由度质点-梁模型；
第五步骤：根据结构设计基准期和所处场地确定地震作用取值，并用弹性与弹塑性时程分析方法开展质点-梁模型结构的响应分析；
第六步骤：基于结构抗震设防标准，采用层间位移角作为指标进行结构的抗震性能评估；
第七步骤：依据该既有结构的抗震设防目标，给出目标结构的鉴定结果。
进一步的，所述动态数据采集仪与力平衡加速度传感器相连，其连接通道数为楼层数的3倍，所述力平衡加速度传感器布置在每层楼层质心位置，进而实现对低、中、高频微震事件中3向地脉动加速度数据的实时采集。优选的，所述动态数据采集仪为G01NET-2高精度多通道动态数据采集仪，所述力平衡加速度传感器为QZ2013型，分辨率动态范围大于125dB，横向灵敏度比小于1％。
进一步的，所述动态数据采集仪采集的数据通过WiFi模块传输到基于LabVIEW的滤波器进行滤波，去除信号传输、收集中受外界干扰而发生变形的信号波形，还原原有信号。
进一步的，将完成滤波的数据采用增强型频域分解法(EFDD)对结构进行动力特性参数分析，具体步骤为：
第31步骤，各测点功率谱密度进行奇异值分解，设y(t)为拾取的响应数据，则功率谱矩阵为：[G(jw)]＝[Ф][Σ][Ф]H，式中：w为圆频率；j为虚数单位；[Σ]为奇异值对角阵；[Ф]为奇异向量，表示模态振型；上标H表示共轭转置；
第32步骤，将分解后的单自由度功率谱密度函数进行逆傅里叶变换得到自相关函数；
第33步骤，在时域内求解自相关函数直接完成固有频率和阻尼比的计算，其中第k阶模态的阻尼系数用自由衰减函数表示为：δk＝2ln(rok/|rpk|)/p，式中：rok为相关函数的初始值，rpk为第p个峰值。
进一步的，对层间水平刚度ki进行求解，将结构等效简化为多自由度质点-梁模型(MDOFs)，建立既有建筑物实测数据与多自由度质点-梁模型之间的关联性，具体步骤如下：
第41步骤，假定每层的质量mi已知，由步骤31-33获得结构模态参数后，得出结构的频率fj和相应的振型{Φj}，[K]{Φj}-(2πfj)2[M]{Φj}＝{0}，其中j为能够测出的结构频率和振型阶数，[M]和[K]分别为结构的整体质量矩阵和刚度矩阵；
第42步骤，由
求出各层间刚度，其中，m1为第一楼层质量，mi为第i层的实测质量，mj为按结构第j阶频率计算的第j振型对应的模态质量，n为楼层总数，i为楼层编号，Φ为相应的振型，M为结构的总质量；
第43步骤，建立既有建筑物实测数据与多自由度质点-梁模型之间的关联性，通过多自由度质点-梁模型对结构进行抗震性能评估。
更进一步的，结构的响应分析地震作用取值依据《混凝土结构加固设计规范》GB50728-2011规定选取设计基准期的数值。
更进一步的，依据该既有结构的抗震设防目标，给出目标结构的鉴定结果，层间位移角小于1/550时能立即使用；层间位移角小于1/450～1/350之间任一数值时为可使用，具体如何选用1/450～1/350范围内的数值由决策者根据建筑结构服役环境和使用功能选定；层间位移角小于1/250时为修复后使用；层间位移角小于1/100时为保证生命安全；层间位移角的值小于1/50时为存在倒塌可能。
上述结构抗震性能评估方法可在竖向规则布置且以剪切变形为主的加固前后老龄期既有钢筋混凝土结构中应用。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本方法固定完力平衡加速度传感器之后进行自动检测，数据精准，操作简便，对实际测量人员无特殊的技能要求。此外，基于等效简化模型，在更为可靠的前提下，避免了数值建模与设计思路的重复性，很大程度上减少了技术人员精细化数值建模前处理以及繁琐的计算分析工作量，提高了评估效率，节约了大量的成本和工期；可广泛应用于加固前后老龄期既有钢筋混凝土结构抗震性能评估。
附图说明
图1为本发明方法的具体实施步骤示意图；
图2为基于微震检测的结构简化模型示意图。
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的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
实施例1
如图1-2所示，本实施例提供一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，具体包括如下步骤：
第一步骤：清理场地，确保所测结构无人为扰动，具体在于所测结构内无人为走动且周边不存在噪声或者施工震动激励影响；
第二步骤：在G01NET-2高精度多通道动态数据采集仪上连接力平衡加速度传感器,两者之间连接通道数为楼层数的3倍，所用力平衡加速度传感器型号为QZ2013型，需将传感器布置在每层楼层质心位置，进而实现对低、中、高频微震事件中3向地脉动加速度数据的实时采集；
第三步骤：将多通道动态数据采集仪采集的数据通过WiFi模块传输到基于LabVIEW的滤波器进行滤波，去除信号传输、收集中受外界干扰而发生变形的信号波形，还原原有信号；结合滤波完成的数据采用增强型频域分解法(EFDD)对结构动力特性参数进行分析，具体如下：
首先，各测点功率谱密度进行奇异值分解，设y(t)为拾取的响应数据，则功率谱矩阵为：[G(jw)]＝[Ф][Σ][Ф]H，式中：w为圆频率；j为虚数单位；[Σ]为奇异值对角阵；[Ф]为奇异向量，表示模态振型；上标H表示共轭转置；
其次，将分解后的单自由度功率谱密度函数进行逆傅里叶变换得到自相关函数；
最后，在时域内求解自相关函数直接完成固有频率和阻尼比的计算。其中，第k阶模态的阻尼系数可用自由衰减函数表示为：δk＝2ln(rok/|rpk|)/p，式中：rok为相关函数的初始值，rpk为第p个峰值。
第四步骤：对层间水平刚度ki进行求解，将结构等效简化为多自由度质点-梁模型(MDOFs)，建立既有建筑物实测数据与多自由度质点-梁模型之间的关联性，具体过程如下：
首先，假定每层的质量mi已知，由步骤三获得结构模态参数后，得出结构的频率fj和相应的振型{Φj}，[K]{Φj}-(2πfj)2[M]{Φj}＝{0}，其中j为能够测出的结构频率和振型阶数，[M]和[K]分别为结构的整体质量矩阵和刚度矩阵；
其次，由
求出各层间刚度，其中，m1为第一楼层质量，mi为第i层的实测质量，mj为按结构第j阶频率计算的第j振型对应的模态质量，n为楼层总数，i为楼层编号，Φ为相应的振型，M为结构的总质量；
最后，建立既有建筑物实测数据与多自由度质点-梁模型之间的关联性，通过等效简化模型对结构进行抗震性能评估。
第五步骤：依据《混凝土结构加固设计规范》GB50728-2011规定，根据结构设计基准期和所处场地确定地震作用取值，并用弹性与弹塑性时程分析方法开展质点-梁模型结构的响应分析；
第六步骤：基于结构抗震设防标准，采用层间位移角作为指标进行结构的抗震性能评估；
第七步骤：依据该既有结构的抗震设防目标，给出目标结构的鉴定结果。层间位移角小于1/550时能立即使用；层间位移角小于1/450～1/350之间任一数值时为可使用，具体如何选用1/450～1/350范围内的数值由决策者根据建筑结构服役环境和使用功能选定；层间位移角小于1/250时为修复后使用；层间位移角小于1/100时为保证生命安全；层间位移角的值小于1/50时为存在倒塌可能。
本发明提供的一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，可以在竖向规则布置且以剪切变形为主的加固前后老龄期既有建筑物上应用。
尽管结合具体附图对本发明方法进行更加具体详细的描述，是为了本领域的相关人员能够更好地了解本发明，而不是作为限制本发明范围的框架。对于本领域的相关人员来说，在理解此发明原理和未做出创新性的基础上对实施例进行的多种形式的拓展、变化都限于本发明范围内。
Claims (3)
1.一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
第一步骤：清理场地，确保所测结构无人为扰动；
第二步骤：选择结构各楼层质心部位布置力平衡加速度传感器进行微震检测；
第三步骤：利用动态数据采集仪采集的地脉动微振动信号快速识别结构动力特性参数，得到结构自振周期、振型、阻尼比；
第四步骤：求解各层间水平刚度ki，建立结构的等效简化多自由度质点-梁模型；
第五步骤：根据结构设计基准期和所处场地确定地震作用取值，并用弹性与弹塑性时程分析方法开展质点-梁模型结构的响应分析；
第六步骤：基于结构抗震设防标准，采用层间位移角作为指标进行结构的抗震性能评估；
第七步骤：依据该既有结构的抗震设防目标，给出目标结构的鉴定结果；
所述动态数据采集仪与力平衡加速度传感器相连，其连接通道数为楼层数的3倍，所述力平衡加速度传感器布置在每层楼层质心位置，进而实现对低、中、高频微震事件中3向地脉动加速度数据的实时采集；
所述动态数据采集仪采集的数据通过WiFi模块传输到基于LabVIEW的滤波器进行滤波，去除信号传输、收集中受外界干扰而发生变形的信号波形，还原原有信号；
将完成滤波的数据采用增强型频域分解法对结构进行动力特性参数分析，具体步骤为：
第31步骤，各测点功率谱密度进行奇异值分解，设y(t)为拾取的响应数据，则功率谱矩阵为：[G(jw)]＝[Ф][Σ][Ф]H，式中：w为圆频率；j为虚数单位；[Σ]为奇异值对角阵；[Ф]为奇异向量，表示模态振型；上标H表示共轭转置；
第32步骤，将分解后的单自由度功率谱密度函数进行逆傅里叶变换得到自相关函数；
第33步骤，在时域内求解自相关函数直接完成固有频率和阻尼比的计算，其中第k阶模态的阻尼系数用自由衰减函数表示为：δk＝2ln(rok/|rpk|)/p，式中：rok为相关函数的初始值，rpk为第p个峰值；
对层间水平刚度ki进行求解，将结构等效简化为多自由度质点-梁模型，建立既有建筑物实测数据与多自由度质点-梁模型之间的关联性，具体步骤如下：
第41步骤，假定每层的质量mi已知，由步骤31-33获得结构模态参数后，得出结构的频率fd和相应的振型{Φd}，[K]{Φd}-(2πfd)2[M]{Φd}＝{0}，其中d为频率阶数和振型编号，[M]和[K]分别为结构的整体质量矩阵和刚度矩阵；
第42步骤，由
求出各层间刚度，其中，m1为第一楼层质量，mi为第i层的实测质量，md为按结构第d阶频率计算的第d振型对应的模态质量，n为楼层总数，i为楼层编号，Φ为相应的振型，M为结构的总质量；
第43步骤，建立既有建筑物实测数据与多自由度质点-梁模型之间的关联性，通过多自由度质点-梁模型对结构进行抗震性能评估。
2.根据权利要求1所述一种快速可靠的既有钢筋混凝土结构抗震性能评估方法，其特征在于，结构的响应分析地震作用取值依据《混凝土结构加固设计规范》GB50728-2011规定选取设计基准期的数值。
3.如权利要求1或2所述方法适用于竖向规则布置且以剪切变形为主的加固前后老龄期既有钢筋混凝土结构。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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