CN117236146B - 一种建筑结构性能评估方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种建筑结构性能评估方法、系统及装置，涉及建筑结构性能评估技术领域，方法主要包括：对被测建筑结构进行静态实体检测及动力模态测试；基于线性多质点粘滞阻尼理论构建质点自由运动系统方程；基于方程构建被测建筑结构的仿真模型；基于仿真模型，输入所述动力模态测试的输入荷载，通过有限元分析，得到结构模态参数；基于结构模态参数，对仿真模型参数进行反向微调；基于微调后的仿真模型，输入需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果。本方案可构建出真实反映被测建筑结构在长期服役状态下的完备仿真模型，从而准确获得各种需求荷载作用下，建筑结构的各种输出反应，进而细致、精确地评估各种工况场景下的结构性能状况。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构性能评估技术领域，尤其是涉及一种建筑结构性能评估方法、系统及装置。
背景技术
目前，对既有建筑结构评价主要依据《民用建筑可靠性鉴定标准》、《工业建筑可靠性鉴定标准》及《建筑抗震鉴定标准》三部标准。
其中，《民用建筑可靠性鉴定标准》、《工业建筑可靠性鉴定标准》所采用的评价技术方法基本相同，将既有建筑结构的结构性能评价统称为可靠性鉴定，主要围绕结构的安全性进行鉴定评估，结构正常使用性属于次要功能要求。鉴定时将既有建筑结构拆解为地基基础、上部承重结构和围护系统承重结构三部分，每部分先根据构件鉴定项目评定结果确定单个构件等级，然后再根据子单元各鉴定项目及各种构件评定结果，确定子单元等级，最后根据子单元评定结果确定鉴定单元等级。规定的鉴定项目包括承载能力、位移变形、构造措施和损伤缺陷等四类，上述项目可按照现行建筑设计规范进行计算分析。总体来讲，上述二部可靠性鉴定标准均采用概率极限状态鉴定法，完全遵循现行极限状态设计准则，并按照分级模式逐层逐项进行检测鉴定。
《建筑抗震鉴定标准》与现行《建筑抗震设计规范》相匹配，对既有建筑抗震鉴定的设防目标，在相同概率保证的前提下与抗震设计完全一致，意味着抗震鉴定沿用抗震设计方法，结构抗震性能的评价指标与设计指标基本相同，同时采用地震力折减方式兼顾使用年限对地震作用的影响。
但是，既有建筑结构评价方法中评价指标如承载力、变形等来源于现行建筑设计规范，均是遵循《建筑结构可靠性设计统一标准》中的要求，采用极限状态设计原则，进一步分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。描述结构极限状态方程应符合如下要求：
；
其中，表示结构的功能函数；/>表示基本变量，指结构上的各种作用和环境影响、材料和岩土的性能及几何参数等；在进行可靠度分析时，基本变量应作为随机变量。
如果将结构作用效应和结构抗力作为基本变量，则结构极限状态方程演变为：
；
其中，R表示结构的抗力；S表示结构的作用效应；
根据结构极限状态方程的描述和3部鉴定标准条文要求，可以看出既有建筑结构评价方法存在以下缺点：1）结构安全鉴定均基于概率极限状态方法，该方法为了具有广泛性和普适性，采用具有上限包络性质的非确定性计算准则，但对具体项目的针对性不强；2）对于结构安全性的鉴定评估，采用二元式阈值评价方式，仅评估结构是否符合承载能力或正常使用的极限状态（阈值），评价指标和评价结果单一；3）虽然既有结构许多参数指标参与评价，但是在评价过程中无法体现每个参数发挥的作用，无法了解结构各子系统实际性能运行状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑结构性能评估方法、系统及装置，以解决现有技术中存在的至少一种上述技术问题。
第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种建筑结构性能评估方法，包括如下步骤：
步骤1、对被测建筑结构进行静态实体检测及动力模态测试：
所述静态实体检测包括质量分布检测及刚度状况检测；所述质量分布检测包括测量被测建筑结构的主体、装饰层、分隔墙体、外围护结构、设备等构件尺寸，并基于所述构件尺寸及密度，推算构件质量；
所述刚度状况检测包括构件检测及节点检测；所述构件检测包括弹性模量检测及材料损伤检测；所述节点检测包括约束检测及节点损伤检测；
所述动力模态测试包括阻尼比测试及荷载作用测试；
所述阻尼比测试是指通过加速度传感器和/或激光雷达等，以自然风激励和/或人工激励方式，得到被测建筑结构的实际振动时程信号曲线，并提取振动模态参数；所述振动模态参数包括各阶模态的频率、振幅、振动形状及阻尼比等；
所述荷载作用测试包括实际测试和评估测试；所述实际测试是指将可探测的实际荷载作为输入荷载，例如风速仪采集的风速、人工激励的设定荷载等；所述评估测试是指将等效荷载或中间参数作为输入荷载；所述等效荷载可以根据建筑设计规范所规定的振（震）动效应等效作用荷载进行取值，例如设计地震作用、设计风荷载、设计车辆荷载等；所述中间参数是指采集现场振（震）源的重量、加速度时程曲线、中间传递介质性能等参数；
在一种可行的实施方式中，所述弹性模量检测包括取样检测及理论推算；所述理论推算是指根据材料强度等级（例如混凝土强度等级、钢材牌号、砌体材料强度等级）及相应规范标准，间接推算弹性模量；
在一种可行的实施方式中，所述材料损伤检测是指根据钢筋锈蚀和/或混凝土开裂和/或钢材显著变形和/或疲劳裂纹等损伤情况，推算构件有效尺寸及附加荷载；
在一种可行的实施方式中，所述约束检测是指根据节点的实际连接情况设置约束条件；
在一种可行的实施方式中，所述节点损伤检测是指根据钢筋混凝土柱梁节点和/或墙梁节点和/或组合楼板与钢梁节点和/或支撑节点等位置出现的变形和/或开裂和/或松动和/或滑移等缺陷情况，调整所述约束条件；
在一种可行的实施方式中，在所述阻尼比测试中，对于高度小于等于100米的建筑结构，提取前10阶模态的参数；对于高度大于100米且跨度大于60米的建筑结构至少提取前20阶模态的参数；
在一种可行的实施方式中，所述阻尼比包括第一阻尼比和第二阻尼比：所述第一阻尼比是指输入荷载小于建筑设计规范中规定的风荷载、地震作用、车辆荷载及施工荷载等工况荷载时，可以通过阻尼比测算方法，例如半功率宽带法、随机子空间法及自由衰减法等，从实际振动时程信号曲线中计算得到；所述第二阻尼比是指输入荷载大于等于建筑设计规范中规定的风荷载、地震作用等工况荷载时，按照建筑设计规范的规定取值；
步骤2、将每个楼层作为一个质点，构建每个质点构件的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；
步骤3、基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建质点自由运动系统方程，具体公式可以为：
其中，M表示总质量矩阵；C表示总阻尼矩阵；K表示总刚度矩阵；表示作用在系统上的输入荷载；t表示输入荷载作用时间；X表示系统运动位移；
步骤4、基于质点自由运动系统方程及构件尺寸，构建被测建筑结构的仿真模型；
步骤5、基于所述仿真模型，输入所述动力模态测试的输入荷载，通过有限元分析，得到结构模态参数，所述结构模态参数包括各阶模态的频率、振幅、振动形状及阻尼比等；将所述结构模态参数与所述振动模态参数进行比较：若差距均在预设比例以内，则保留该仿真模型，执行步骤7；若某项差距超出预设比例，则执行步骤6；
在一种可行的实施方式中，所述预设比例为±5%；
步骤6、重新进行所述材料损伤检测及节点损伤检测，调整所述仿真模型的相关参数，例如弹性模量，执行步骤5；
步骤7、基于所述仿真模型，输入需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果；所述评估结果包括应力、位移、变形、振幅等。
通过上述步骤，可以将被测建筑结构按照楼层转化为线性状态下具备粘滞阻尼耗能的多质点自由运动系统的方程，并基于该方程构建被测建筑结构的仿真模型进行建筑性能评估，从而得到更为准确的评估结果。
第二方面，基于相同的发明构思，本申请还提供了一种建筑结构性能评估系统，以实现如上所述的建筑结构性能评估方法，包括数据接收模块、数据处理模块及结果生成模块；
所述数据接收模块，用于输入被测建筑结构的静态实体检测数据、动力模态测试数据及需求载荷；
所述数据处理模块，包括矩阵单元、方程单元、仿真模型单元及性能评估单元；
所述矩阵单元，将每个楼层作为一个质点，基于静态实体检测数据及动力模态测试数据，构建每个质点构件的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；
所述方程单元，基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建质点自由运动系统方程，具体公式可以为：
其中，M表示总质量矩阵；C表示总阻尼矩阵；K表示总刚度矩阵；表示作用在系统上的输入荷载；t表示输入荷载作用时间；X表示系统运动位移；
所述仿真模型单元，基于质点自由运动系统方程及静态实体检测数据中的构件尺寸，构建被测建筑结构的仿真模型；
所述性能评估单元，调用所述仿真模型，输入所述需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果；所述评估结果包括应力、位移、变形、振幅等；
所述结果生成模块，用于将所述评估结果外发。
第三方面，基于相同的发明构思，本申请还提供了一种建筑结构性能评估装置，包括处理器、存储器及总线，所述存储器存储由处理器读取的指令及数据，所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据，以执行如上所述的建筑结构性能评估方法，所述总线连接各功能部件用于传送信息。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种建筑结构性能评估方法、系统及装置，可构建出真实反映被测建筑结构在长期服役状态下的完备仿真模型，从而准确获得各种危险荷载作用下，建筑结构各种输出反应，例如应力、变形、高阶振动模态等，进而细致、精确地评估各种工况场景下的结构性能状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种建筑结构性能评估方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种建筑结构性能评估系统图；
图3为本发明实施例提供的仿真模型例图；
图4为图3的内部结构说明图；
图5为本发明实施例提供的反复荷载作用下水平荷载-位移滞回曲线图；
图6为本发明实施例提供的首阶模态等效阻尼比发展曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了便于理解本申请各实施例，先就本申请的发明构思简述如下：
针对背景技术中出现的问题，究其原因有二：
第一、现有建筑结构的评估模型不够完善、缺乏系统性。既有建筑结构，在长期服役后，部分结构性能将会下降，例如出现疲劳损伤、钢筋锈蚀等；另外，部分结构性能参数，例如阻尼比，存在较大不确定性，无法在现有评估模型中体现；
第二、现有评估方法往往按照常规设计概念，将既有建筑结构划分为柱、墙等竖向构件和梁、板等横向构件，从而将建筑结构机械、离散地分割为各类构件单元，没有考虑到构件单元之间的关联性，导致评估结果缺乏整体性；
因此，本申请基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建被测建筑结构的仿真模型，从而使模型性能与计算结果接近建筑结构的实际状态，从而提升建筑结构性能的评估准确性。
具体来说，本申请确定了质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵及作用在系统上的振源荷载是被测建筑结构性能的关键因素，其中的质量矩阵可通过质量分布检测进行较为精确的测算，而刚度矩阵及阻尼矩阵会由于长期服役而出现不确定性，振（震）源荷载的变化则更为复杂。所以，对刚度矩阵、阻尼矩阵及振（震）源荷载需要从时间-空间-作用等多维度进行溯源、检测分析与诊断，本申请结合理论分析、现场测试及数值模拟，将正向推演与反向验证结合，确保三者之间相互形成验证关系，最终获得定量化的仿真模型关键参数，实现推演数据与实测结果相吻合。
同时，本申请还兼顾了被测建筑结构损伤对性能状态的影响。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
还需要说明的是，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供了一种建筑结构性能评估方法，包括如下步骤：
步骤1、对被测建筑结构进行静态实体检测及动力模态测试：
所述静态实体检测包括质量分布检测及刚度状况检测；所述质量分布检测包括测量被测建筑结构的主体、装饰层、分隔墙体、外围护结构、设备等构件尺寸，并基于所述构件尺寸及密度，推算构件质量；
所述刚度状况检测包括构件检测及节点检测；所述构件检测包括弹性模量检测及材料损伤检测；所述节点检测包括约束检测及节点损伤检测；
所述动力模态测试包括阻尼比测试及荷载作用测试；
所述阻尼比测试是指通过加速度传感器或激光雷达等，以自然风激励或人工激励方式，得到被测建筑结构的实际振动时程信号曲线，并分析提取振动模态参数；所述振动模态参数包括各阶模态的频率、振幅、振动形状及阻尼比等；
所述荷载作用测试包括实际测试和评估测试；所述实际测试是指将可探测的实际荷载作为输入荷载，例如风速仪采集的风速、人工激励的设定荷载等；所述评估测试是指将等效荷载或中间参数作为输入荷载；所述等效荷载可以根据建筑设计规范所规定的振（震）动效应等效作用荷载进行取值，例如设计地震作用、设计风荷载、设计车辆荷载等；所述中间参数是指采集现场振（震）源的重量、加速度时程曲线、中间传递介质性能等参数；
进一步地，所述弹性模量检测包括取样检测及理论推算；所述理论推算是指根据材料强度等级（例如混凝土强度等级、钢材牌号、砌体材料强度等级）及相应规范标准，间接推算弹性模量；
进一步地，所述材料损伤检测是指根据钢筋锈蚀、混凝土开裂、钢材显著变形及疲劳裂纹等损伤情况，推算构件有效尺寸及附加荷载；
进一步地，所述约束检测是指根据节点的实际连接情况设置约束条件；
进一步地，所述节点损伤检测是指根据钢筋混凝土柱梁节点、墙梁节点、组合楼板与钢梁节点及支撑节点等位置出现的变形、开裂、松动及滑移等缺陷情况，调整所述约束条件；
优选地，在所述阻尼比测试中，对于高度小于等于100米的建筑结构，提取前10阶模态的参数；对于高度大于100米且跨度大于60米的建筑结构至少提取前20阶模态的参数；
进一步地，所述阻尼比包括第一阻尼比和第二阻尼比：所述第一阻尼比是指输入荷载小于建筑设计规范中规定的风荷载、地震作用、车辆荷载及施工荷载等工况荷载时，可以通过阻尼比测算方法，例如半功率宽带法、随机子空间法及自由衰减法等，从实际振动时程信号曲线中计算得到；所述第二阻尼比是指输入荷载大于等于建筑设计规范中规定的风荷载、地震作用等工况荷载时，按照建筑设计规范的规定取值；
步骤2、将每个楼层作为一个质点，构建每个质点的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；
步骤3、基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建质点自由运动系统方程，具体公式可以为：
其中，M表示总质量矩阵；C表示总阻尼矩阵；K表示总刚度矩阵；表示作用在系统上的输入荷载；t表示输入荷载作用时间；X表示系统运动位移；
步骤4、基于质点自由运动系统方程及构件尺寸，构建被测建筑结构的仿真模型；
步骤5、基于所述仿真模型，输入所述动力模态测试的输入荷载，通过有限元分析，得到结构模态参数，所述结构模态参数包括各阶模态的频率、振幅、振动形状及阻尼比等；将所述结构模态参数与所述振动模态参数进行比较：若差距均在预设比例以内，则保留该仿真模型，执行步骤7；若某项差距超出预设比例，则执行步骤6；
优选地，所述预设比例为±5%；
步骤6、重新进行所述材料损伤检测及所述节点损伤检测，调整所述仿真模型的相关参数，例如弹性模量，执行步骤5；这样可以利用混凝土徐变蠕变理论、钢材疲劳损伤机理等，合理解释被测建筑结构的长期服役损伤，再进行模拟计算分析，并利用现场检测的损伤状况进行印证，形成完整的建筑结构服役损伤证据链条，并不断进行反向微调，直至得到符合实际情况的模型参数；
步骤7、基于所述仿真模型，输入需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果；所述评估结果包括应力、位移、变形、振幅等，这样可以求得日常使用、地震、风、爆炸、周边施工等各种需求工况下，被测建筑结构的性能评估结果。
实施例二：
如图2所示，本实施例提供了一种建筑结构性能评估系统，以实现如上所述的建筑结构性能评估方法，包括数据接收模块、数据处理模块及结果生成模块；
所述数据接收模块，用于输入被测建筑结构的静态实体检测数据、动力模态测试数据及需求载荷；
所述数据处理模块，包括矩阵单元、方程单元、仿真模型单元及性能评估单元；
所述矩阵单元，将每个楼层作为一个质点，基于静态实体检测数据及动力模态测试数据，构建每个质点构件的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；
所述方程单元，基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建质点自由运动系统方程，具体公式可以为：
其中，M表示总质量矩阵；C表示总阻尼矩阵；K表示总刚度矩阵；表示作用在系统上的输入荷载；t表示输入荷载作用时间；X表示系统运动位移；
所述仿真模型单元，基于质点自由运动系统方程及静态实体检测数据中的构件尺寸，构建被测建筑结构的仿真模型；
所述性能评估单元，调用所述仿真模型，输入所述需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果；所述评估结果包括应力、位移、变形、振幅等；
所述结果生成模块，用于将所述评估结果外发。
实施例三：
本实施例提供了一种建筑结构性能评估装置，包括处理器、存储器及总线，所述存储器存储由处理器读取的指令及数据，所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据，以执行如上所述的建筑结构性能评估方法，所述总线连接各功能部件用于传送信息。
本方案在又一种实施方式下，可以通过设备的方式来实现，该设备可以包括执行上述各个实施方式中各个或几个步骤的相应模块。模块可以是专门被配置为执行相应步骤的一个或多个硬件模块、或者由被配置为执行相应步骤的处理器来实现、或者存储在计算机可读介质内用于由处理器来实现、或者通过某种组合来实现。
处理器执行上文所描述的各个方法和处理。例如，本方案中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器。在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和/或通信接口而被载入和/或安装。当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中的一个或多个步骤。备选地，在其它实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行上述方法之一。
该设备可以利用总线架构来实现。总线架构可以包括任何数量的互连总线和桥接器，这取决于硬件的特定应用和总体设计约束。总线将包括一个或多个处理器、存储器和/或硬件模块的各种电路连接到一起。总线还可以将诸如外围设备、电压调节器、功率管理电路、外部天线等的各种其它电路连接。
总线可以是工业标准体系结构(ISA，Industry Standard Architecture)总线、外部设备互连(PCI，Peripheral Component)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，ExtendedIndustry Standard Component)总线等，总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
实施例四：
如图3-4所示，以某一楼层的某一钢管混凝土柱为例；
其具体尺寸为：外轮廓直径1.3米，高度8米，钢管壁厚20毫米；
其具体结构为：外部为钢管1，内部为混凝土芯2；在钢管1与混凝土芯2之间存在脱空层3，并以所述脱空层3的厚度取0毫米（即未脱空）及取0.2毫米（即脱空0.2毫米）两种情况进行评估；
输入荷载只考虑水平起振（震）荷载；
通过实施例一中的方法，对该钢管混凝土柱进行性能评估。在步骤4中，通过有限元软件ABAQUS、ANSYS等，进行计算分析：
对于未脱空情况，钢管1对混凝土芯2的约束作用采用韩林海本构模型；
对于脱空0.2毫米情况，混凝土芯2采用《混凝土结构设计规范》GB50010中的素混凝土本构模型，并采用八节点线性减缩积分的三维实体单元（C3D8R）；钢管1采用双线性模型，包括弹性段和强化段，钢材达到屈服极限后即进入强化段，强化段的弹性模量为钢材弹性模量的1%，并采用四节点缩减积分格式的壳单元(S4R)，该单元允许沿厚度方向产生剪切变形，在壳单元的厚度方向上，则采用9个积分点的Simpson积分以满足精度要求；
在接触分析时，设置钢管1的表面为主控表面，混凝土芯2的表面为从属表面，从属表面网格密度不低于主控表面。为兼顾计算成本和精度，还需进行网格收敛性分析。在接触界面上，其法线方向的接触采用“硬”接触，即接触面的压力在界面间传递；切线方向的接触采用Coulomb摩擦模型模拟界面剪应力传递。计算时采用允许“弹性滑动”的公式，钢管1与混凝土芯2的界面之间设置摩擦系数，取值范围为0.2-0.6；
经过有限元分析，可得反复荷载作用下，水平荷载与位移滞回曲线图，如图5所示，其中的（a）图为未脱空情况下的曲线图，（b）图为脱空0.2毫米情况下的曲线图；进而得到未脱空情况及脱空0.2毫米情况下首阶模态等效阻尼比发展曲线图，如图6所示，随着模拟水平位移加载振幅的增加，钢管混凝土柱的等效阻尼比也随之增大，整个过程可分为4个阶段：
第1阶段、当模拟水平位移加载振幅为0-5mm左右时，两种情况下的钢管混凝土柱等效阻尼比均在零值附近。该阶段钢管1和混凝土芯2均发生很小的材料阻尼耗能；
第2阶段、当模拟水平位移加载振幅为5-12mm时，两种情况下的钢管混凝土柱等效阻尼比都开始增加，发展趋势一致且阻尼比值基本相同。该阶段混凝土芯2受力而弯曲，导致混凝土芯2的一侧产生拉应力开裂耗能；
第3阶段、当模拟水平位移加载振幅为12-20mm左右时，两种情况下的钢管混凝土柱等效阻尼比出现差异：未脱空情况下的等效阻尼比保持平稳变化且有下降趋势，整体主要以摩擦耗能为主；脱空0.2毫米情况下的等效阻尼比呈线性递增，混凝土开裂加剧，拉应力开裂耗能不断增加，此过程中钢管1与混凝土芯2几乎未接触或摩擦耗能很小；
第4阶段、当模拟水平位移加载振幅大于20mm时，两种情况下钢管1与混凝土芯2都完全贴合，钢管1对混凝土芯2提供侧向约束作用，混凝土芯2的开裂趋势得到限制，摩擦耗能增加，钢管混凝土柱的整体变形超过弹性变形极限并产生塑型变形，出现残余变形和能量损失，即为弹塑性耗能，且等效阻尼比成线性发展并趋于一致；
由此可见，被测建筑结构的实际阻尼比随响应振幅变化而变化，在性能评估时，按照建筑设计规范将阻尼比取固定常数并不合适。所以，将阻尼比分为第一阻尼比和第二阻尼比：所述第一阻尼比是指引起振（震）动的水平荷载小于建筑设计规范中规定的风荷载、地震作用、车辆荷载及施工荷载等工况荷载时，即处于第1阶段曲线时，可以通过阻尼比测算方法，例如半功率宽带法、随机子空间法及自由衰减法等，从实际振动时程信号曲线中计算得到；所述第二阻尼比是指引起振（震）动的水平荷载大于等于建筑设计规范中规定的风荷载、地震作用等工况荷载时，即处于第2-3阶段曲线时，按照建筑设计规范的规定取值：《建筑抗震设计规范》GB50011中具体规定：钢结构在多遇地震作用分析时，根据结构高度，阻尼比分别可取2%、3%和4%；在罕遇地震作用分析时，阻尼比可取5%；而《钢管混凝土结构技术规范》GB50936第4.3.9条中也有类似具体规定：钢管混凝土结构在多遇地震作用下的阻尼比应根据高度取2%-4%之间，在罕遇地震作用分析时，阻尼比也可取5%。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种建筑结构性能评估方法，其特征在于，包括：
步骤1、对被测建筑结构进行静态实体检测及动力模态测试：
所述静态实体检测包括质量分布检测及刚度状况检测；所述质量分布检测包括测量构件尺寸，并基于所述构件尺寸及密度，推算构件质量；
所述刚度状况检测包括构件检测及节点检测；所述构件检测包括弹性模量检测及材料损伤检测；所述节点检测包括约束检测及节点损伤检测；
所述动力模态测试包括阻尼比测试及荷载作用测试；
所述阻尼比测试是指通过加速度传感器和/或激光雷达，以自然风激励和/或人工激励方式，得到被测建筑结构的实际振动时程信号曲线，并提取振动模态参数；所述振动模态参数包括各阶模态的频率、振幅、振动形状及阻尼比；
所述荷载作用测试包括实际测试和评估测试；所述实际测试是指将实际荷载作为输入荷载；所述评估测试是指将等效荷载或中间参数作为输入荷载；
步骤2、将每个楼层作为一个质点，构建每个质点构件的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；
步骤3、基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建质点自由运动系统方程，具体公式为：
其中，M表示总质量矩阵；C表示总阻尼矩阵；K表示总刚度矩阵；表示作用在系统上的输入荷载；t表示输入荷载作用时间；X表示系统运动位移；
步骤4、基于质点自由运动系统方程及构件尺寸，构建被测建筑结构的仿真模型；
步骤5、基于所述仿真模型，输入所述动力模态测试的输入荷载，通过有限元分析，得到结构模态参数，所述结构模态参数包括各阶模态的频率、振幅、振动形状及阻尼比；将所述结构模态参数与所述振动模态参数进行比较：若差距均在预设比例以内，则保留该仿真模型，执行步骤7；若某项差距超出预设比例，则执行步骤6；
步骤6、重新进行所述材料损伤检测及所述节点损伤检测，调整所述仿真模型的相关参数，执行步骤5；
步骤7、基于所述仿真模型，输入需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弹性模量检测包括取样检测及理论推算；所述理论推算是指根据材料强度等级及相应规范标准，间接推算弹性模量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料损伤检测是指根据钢筋锈蚀和/或混凝土开裂和/或钢材变形和/或疲劳裂纹，推算构件的有效尺寸及附加荷载。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述约束检测是指根据节点的实际连接情况设置约束条件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述节点损伤检测是指根据钢筋混凝土柱梁节点和/或墙梁节点和/或组合楼板与钢梁节点和/或支撑节点处出现的变形和/或开裂和/或松动和/或滑移缺陷，调整所述约束条件。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述阻尼比测试中，对于高度小于等于100米的建筑结构，提取前10阶模态的参数；对于高度大于100米且跨度大于60米的建筑结构至少提取前20阶模态的参数。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻尼比包括第一阻尼比和第二阻尼比：所述第一阻尼比是指输入荷载小于建筑设计规范中规定的荷载时，通过阻尼比测算方法，从实际振动时程信号曲线中计算得到；所述第二阻尼比是指输入荷载大于等于建筑设计规范中规定的荷载时，按照建筑设计规范的规定取值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中的预设比例为±5%。
9.一种建筑结构性能评估系统，用于实现如权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，包括数据接收模块、数据处理模块及结果生成模块；
所述数据接收模块，用于输入被测建筑结构的静态实体检测数据、动力模态测试数据及需求载荷；
所述数据处理模块，包括矩阵单元、方程单元、仿真模型单元及性能评估单元；
所述矩阵单元，将每个楼层作为一个质点，基于静态实体检测数据及动力模态测试数据，构建每个质点构件的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵；
所述方程单元，基于线性多质点粘滞阻尼理论，构建质点自由运动系统方程，具体公式为：
其中，M表示总质量矩阵；C表示总阻尼矩阵；K表示总刚度矩阵；表示作用在系统上的输入荷载；t表示输入荷载作用时间；X表示系统运动位移；
所述仿真模型单元，基于质点自由运动系统方程及静态实体检测数据中的构件尺寸，构建被测建筑结构的仿真模型；
所述性能评估单元，调用所述仿真模型，输入所述需求荷载，通过有限元分析，得到评估结果；
所述结果生成模块，用于将所述评估结果外发。
10.一种建筑结构性能评估装置，其特征在于，包括处理器、存储器及总线，所述存储器存储由处理器读取的指令及数据，所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据，以执行如权利要求1-8中任一所述的方法，所述总线连接各功能部件用于传送信息。
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