结构动力特性测试在优秀历史建筑保护中的应用.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 6 卷第 6 期 2 0 1 0年 l 2月 结构动力特性测试在优秀历史建筑保护中的应用 吴体， 解振涛， 王永维， 罗苓隆 四川省建筑科学研究院， 四川 成都6 1 0 0 8 1 摘要 本文系优秀历史建筑保护的系列论文之一。探讨了在优秀历史建筑保护工作中进行结构动力测试的重要性， 介绍了 结构动力特性测试的基本原理 ， 结合实际的优秀历史建筑结构动力测试工程案例进行 了分析。分析研究表明 结构动力特性 测试作为一种无损检测手段， 可为优秀历史建筑保护工作提供参考。 关键词 优秀历史建筑 ； 动力特性测试 ； 无损检测 中图分类号 T U 3 1 1 ． 3 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 0 } 0 6 0 6 0 0 5 Th e a p p l i c a t i o n a b o ut me a s u r e me n t s o f d y n a mi c p r o pe r t i e s d u r i n g t h e pr o t e c t i o n o f e x c e l l e n t h i s t o r i c a l b u i l d i n g s ． WU Ti ， XI E Z h e n t a o， WANG Yo n g we i ， L UO L i n g l o n g S i c h u a n I n s t i t u t e o f B u i l d i n g R e s e a r c h ， C h e n g d u 6 1 0 0 8 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e i s o n e o f t h e s e ri e s t h e s i s a b o u t p r o t e c t i o n o f e x c e l l e n t h i s t o ri c a l b u i l d i n g s ． D i s c u s s e d t h e i mp o r t a n c e o f t h e me a s u r e me n t s o f d y n a mi c p r o p e rt i e s d u rin g t h e p r o t e c t i o n o f e x c e ll e n t h i s t o r i c a l b u i l d i n g s ， i n t r o d u c e d t h e b a s i c p rin c i p l e o f t h e m e a s u r e m e n t s o f d y n a m i c p r o p e rt i e s ， c o m b i n e d w i t h t h e e n g i n e e ri n g p r e c t t o a n a l y z e t h e m e a s u r e m e n t s o f d y n a m i c p rop e r t i e s i n t h e e x c e ll e n t h i s t o ri c al b u i l d i n g s ．T h e a n aly s i s s h o w s t h e me a s u r e me n t s o f d y n a mi c p r o p e r t i e s c o u l d b e r e f e r r e d t o d u r i n g t h e p r o t e c t i o n o f e x c e l l e n t h i s t o ri c al b u i l d i n g s ． Ke y wo r d s e x c e l l e n t h i s t o r i c a l b u i l d i n g s ； me asu r e me n t s o f d y n a m i c p r o p e r t i e s ； n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g 1 结构 动力特性测试的意义 建筑结构动力特性反映的是结构本身所固有的 动力性能。它的主要内容包括结构的 自振频率、 阻 尼系数和振型等一些基本参数 ， 也称动力特性参数 或振动模态参数。这些特性是 由结构形式、 质量分 布、 结构刚度 、 材料性质、 构造连接等因素决定 ， 与外 荷载无关 。对于优秀历史建筑而言， 通过对结构 的 动力特性进行测试 ， 并定期对其变化进行监测 ， 可以 有以下作用 1 为研究历史建筑 的抗震 、 抗风或抗御其他 动荷载的性能和能力提供动力特性参数， 了解结构 的 自振特性。 2 为检测、 诊断历史建 筑的损伤积 累提供可 靠的资料和数据。由于结构受损使结构刚度发生变 化， 刚度的减弱使结构 自振周期变长、 阻尼变大。由 此， 可以通过长时问的定期监测 ， 积累不同时期结构 收稿日期 2 0 0 9 1 2 - 0 8 作者简介 吴体 1 9 7 0一 ， 男 ， 四川邻水人 ， 教授级高级工程师 ， 一 级注册结构工程师 ， 总工程师 ， 主要从事结构鉴定与加固工作及结构 振动测试方面的研究。 E ma i l wu t i t s i n g h u a ． o r g ． c n 的动力特性参数 ， 通过从结构 自身固有特性的变化 来识别结构物的损伤程度 ， 为结构的可靠度诊断和 剩余寿命的估计提供依据。 3 对历史建筑进行定期大型维护 养护 时， 亦可从维护 养护 前后的监测 ， 分析其维护 养护 造成的影响。 4 当对历史建 筑进行结构加 固时 ， 亦可进行 加固前后的监测 ， 及时分析加固的效果。 5 当发现历史 建筑有异常情况发生时， 可立 即进行监测， 对异常情况进行评估。 2 动力特性测试的方法 工程结构类型各异 ， 结构形式也有所不 同。从 简单的构件如梁、 柱、 屋架、 楼板以至整体建筑物、 桥 梁等 ， 动力特性相差很大 ， 结构动力特性测试的方法 和所用 的仪器设备也不完全相同。由于结构动力特 性测试是以研究结构 自振特性为主， 它可以在小振 幅试验下求得， 不会使结构出现过大的振动和损坏， 因此通常可以在现场进行结构的实物试验。常用的 结构动力特性测试方法 ， 有 自由振动法、 共振法和脉 动法 。 2 0 1 0 N o ． 6 吴体， 等 结构动力特性测试在优秀历史建筑保护中的应用 6l 2 ． 1 自由振动 法 自由振动法采用突加荷载或突卸荷载两种办法 施加激励 ， 使结构产生 自由振动 ， 用记录仪器记录下 有衰减的自由振动曲线 ， 通过分析可得 出结构的基 本频率和阻尼系数。 自由振动法简便易行， 且得到 的周期和阻尼系数 比较准确 ， 但通 常只能测出其基 本频率， 而且对结构的刚度和施加 的荷载都有一定 的要求 ， 特别是对刚度 比较大的高层建筑不太适用。 2 ． 2共振法 共振法是利用专门的激振器对结构施加简谐动 荷载 ， 使结构产生恒定的强迫简谐振动， 借助共振现 象来观察结构 的自振性质。采用共振法进行动力试 验时 ， 可以连续改变激振器的频率， 使结构产生多次 共振 ， 从而得到结构相应的多个频率和振型。但是， 这种方法需要专 门的激振器 ， 而且激振时 ， 对建筑物 墙面和地面等可能造成不同程度的破坏。 2 ． 3 脉 动法 脉动法是通过量测由环境随机激振而产生的建 筑物微小振动 ， 即“ 脉动” 来分析建筑物的动力特性 的方法。从脉动信号 中可以分析建筑物 的固有 频 率 、 振型和阻尼系数。建筑物的脉动来 自两个方面 一 方面是地面脉动； 另一方面是 大气变化即风和气 压等引起 的微幅振动。建筑 物的脉动是经常存在 的， 但极其微弱， 一般只有几微米到几十微米。因 此， 测量这种信号必 须使用低噪音和高灵敏度的拾 振器和放大器 ， 并配有记录仪和信号分析仪。用这 种方法进行实测， 不需要专 门的激振设备 ， 用仪器将 建筑物的脉动数据采集起来 ， 经过一定 的分析， 就可 以确定建筑物的动力特性 ， 且脉动法不受结构形式 和体量的限制 ， 适用于各种复杂结构 ， 因而得到广泛 的应用。同时 ， 采用脉动法进行测试不会对原结构 造成任何损害 ， 且每次测试后不会在测试现场 留下 任何痕迹。 由于脉动法 的上述优点， 且 随着近年来测量仪 器的高效模块化、 数字化 、 体积微型化等多方面的发 展 ， 脉动法已成为建筑结构动力特性测试的主要方 法， 而且这种方法尤其适用于优 秀历史建筑 的保护 工作中的检测或监测。 3 动力特 性测试 的基本原理 在振动测试中， 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 Z 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。假设 X i i 1 ， 2 ， ⋯， 是一采集 的离散脉动数据， 其 中 为离散点数。通常 五 持续 时间较 长， 在几十 秒至几百秒间 ， 对其进行分析时 ， 通过加窗截断获取 分析所需长度的数据。加窗截断等效于将原信号数 据 五 乘 以一 窗函数 d i ， 设截 断所得 的离 散数据 为 ，则有 y i X i d i 为了提高结构 自振特性确定精度、 降低窗 的边 瓣泄能效应 ， 可采用 H a n n i n g窗 ， 即 d i [ 1 一 c o s ] 0 ≤ ≤ Ⅳ一 1 此外 ， 为 了能采用 F r T F a s t F o u r i e r T r a n s f o r m 算法计算 Y i 的频谱 ， Ⅳ可取为 2的幂次方。 采用频率域分析方法确定结构的 自振 特性 ， 即 固有频率及振型。在频率域处理脉动信号时 ， 首先 计算任一测点脉动信号 的 F o u ri e r 振幅谱 l Y l 及功率谱 S ∞ ， 然后 ， 从 J I ， l 或 s 峰值可确 定出结构 的固有频率 。由任一测 点的 F o u ri e r 振幅 谱 I l ， l 及功率谱 S 的峰值可确定出这一测点 的振型幅值 ， 一旦获得了所有测点的振型振幅， 即可 确定出结构的振型。 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 i Bm 式中B 是与第 i 振型有关的谱峰值的半功率点 带宽。 4 优 秀 历 史建 筑 结构 动 力特 性 测试 实例 4 ． 1 新都宝光寺舍利塔结构动力特性测试 新都宝光寺位于成都市新都 区， 是我国历史悠 久、 规模宏大、 结构完整、 文物众多的佛教禅宗丛林 ， 2 0 0 1年公布为 国家级重点文物保护单位。舍利塔 总高为 2 8 ． 8 8 i n ， 为 1 3层 方形 密檐 式砖塔 ， 建于唐 代中和三年 公元 8 8 3年 。舍利塔 留存千余年 ， 历 经多次地震和修缮 ， 7层 以上呈 明显 的倾斜 、 错位 ， 舍利塔外观现状如图 1 所示 。 2 0 0 9年 1 1月 ， 对新都宝光寺舍利塔 主体结 构 进行动力特性测试 ， 该次测试共沿舍利塔竖 向布设 6个测点 ， 分别布设在舍利塔东面 2层、 4层、 6层 、 8 层、 l O层和 1 3层的中部佛龛内， 每个测点分别布置 水平向拾振器， 测试舍利塔在东西和南北两个方 向 的水平振动 ， 采集 的振动数据为在脉动激励下 的速 6 2 四川建筑科学研究 第 3 6卷 度响应时程， 通过对采集到的数据进行处理分析， 得 到新都宝光寺舍利塔主体结构动力特性参数如下。 1 固有频率 舍利塔东西 向和南北 向的第一阶 自振频率相 同， 舍利塔东西向和南北向两个方向的一阶、 二阶和 三阶 自振频率见表 l 。 表 1自振频率分析结果 Ta b l e 1 Th es nit o f b u i l d i n g n a t u r a l f r e q u e n c y ＼固有频率 ～阶 白振 二 阶自振 三阶 自振 测试方 、 频率／ H z 频 - ／ a z 频率／ H z 南北方向 1 ． 1 7 2 4 ． 8 8 3 1 0 ． 5 4 8 图 1 新都宝光寺舍利塔外观现状 F i g ． 1 The e x t e r n a l a p p e a r a n c e o f d a g o b a i n X i n d u 2 振型 B a o g u a n g t e m p l e 舍利塔的第一阶和第二阶振型的实测分析结果 如图2所示。 0 0． 3 0． 6 0． 9 1 ． 2 1 2_ 0 ． 6 0 0 6 1 ． 2 0 0 ． 3 0． 6 0 ． 9 1 ． 2 1 ． 2- 0． 6 0 0 ． 6 1 ． 2 a 南北方向第～阶振型 b 南北方向第二阶振型 c 东西方向第一阶振型 d 东西方向第二阶振型 图 2 合利塔的第一阶和 第二 阶振型 F i g ． 2 Th e f u n d a m e n t a l a n d t h e s e c o n d b r a fi o n mo d e o f d a g o b a 通过上述测试初步分析， 新都宝光寺舍利塔主 体结构的第一阶和第二 阶振型无异常， 未因塔体顶 部局部倾斜而产生畸变点 ， 塔身整体性较好 ， 本次测 试结果为塔身的保护建立 了“ 指纹 ” ， 为以后的保护 和维修提供相关基础数据。 4 ． 2 四川大学华西校区的怀德堂和第五教学楼结 构动力特性测试 四川大学华西校区前身是美、 英 、 加拿大的 5个 教会于 1 9 1 0年联合创办 的“ 私立华西 协合大学” ， 其校园内有众多中西合璧 的历史建筑 ， 怀德堂和第 五教学楼为其 中的 2幢 ， 是 由外籍建筑师参照中国 传统建筑元素， 采用西方砖木结构构造法完成的。 怀德堂始建于 1 9 1 5年， 期间经历过维修及改 造 ， 房屋为 2层砖木结构 ， 房屋总长度为 5 5 ． 4 5 m， 总宽度为 2 7 ． 8 8 m， 建筑面积约为 2 6 1 8 1“1 1 。房屋地 坪为架空层 ， 室内外 高差 为 0 ． 8 m， 正脊顶 标高为 1 2 ． 8 9 0 r f l 。房屋外观现状如图3所示。 图 3 怀德堂外观现状 Fi g． 3 The e xte r nal ap pe a r an c e o f W hi t i ng M e m o r i a l Admi n i s t r a t i o n b ui l di ng 第五教学楼房屋东部部分始建于 1 9 2 8 年 ， 西部 吴体 ， 等 结构动力特性测试在优秀历史建筑保护中的应用 6 3 部分始建于 1 9 4 8年 ， 期间经过维修 和改造 ， 房屋为 3层砖木结构 ， 3层以上为阁楼 ， 房屋总长度为 5 3 ． 3 m， 总宽度为 3 0 ． 8 m， 建筑面积约 3 0 0 0 i n ， 房屋建筑 总高度为 1 1 ． 1 m 室外地坪至檐 口标 高高度 。房 屋外观现状如图 4所示。 图 4 第五教 学楼 外观现状 Fi g ． 4 The e xt e r na l a ppe ar a nc e o f No ． 5 c l a s s r o om 2 0 0 9年 ， 四川大学华西校 区内的历史建筑进行 结构修复， 现场对怀德堂和第五教学楼 2幢历史建 筑在房屋结构修复处理前后分别进行了房屋结构动 力特性测试， 每个测点分别布置水平 向拾振器 ， 测试 房屋在纵、 横两个方向上的水平振动 ， 采集的振动数 据为在脉动激励下 的速度响应时程 ， 通过对采集到 的数据进行处理分析 ， 得到上述建筑修复前后主体 结构 自振频率见表 2 。 表 2自振频率分析结果 Ta bl e 2 The r e s u l t o f bu i l d i n g na t ur a l f r e que nc y 对 象怀 德 堂 丽 固有频率 修复前 修复后 修复前 修复后 修 复前 修复后 3 ． 3 21 3． 9 0 7 5 ． 0 7 9 4． 1 0 2 6 ． 0 5 5 5 ． 0 7 9 4． 啪4． 8 8。 ⋯2 9 s ． z s s 从房屋结构动力特性测试的数据 ， 结合房屋实 际采取 的修 复方案 ， 得 出结论 为 上述 房屋 的修复 方 案主要以修缮为主， 仅对部分结构构件进行 了加固， 因此房屋修复前后 ， 房屋纵向和横向一 阶 自振频率 变化不大。 在历史建筑 的保护和维修过程中， 可以根据动 力特性测试结果 ， 有针对性地采取维修加固措施 ， 改 善结构的动力性 能。同时 ， 随着计算分析软件的发 展和计算机仿真能力 的提高 ， 在历史建筑的保护 中 常有采用有限元软件进行仿真分析的情况 ， 分析 中 对结构的动力特性一般都采用假定或经验估计。实 际上 ， 如果在历史建筑保护工作中引入结构动力特 性测试手段， 则可根据动力特性测试结果 ， 结合有限 元软件进行仿真分析而不再采用假定或经验估计 。 4 ． 3应县木塔 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 1 0 5 6年， 塔身高大， 塔身全高 6 7 ． 3 1 m， 八角六檐 ， 明五暗四共 9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 1 9 6 1年被国务院 公布为第一批全国重点文物保护单位。应县木塔外 观现状如图5所示 。 图 5应县木塔外观现状 Fi g ． 5 The e x t e r n al app e ar anc e of wo od t owe r i n Yi n g c ou nt y 2 0 0 8年 ， 对 应县木 塔进 行 了结 构动力 特性测 试 ， 该次测试共沿木塔竖 向布设 1 1个测点， 分别 布 设在 1 层明层 地面 、 1层暗层、 2层 明层、 2层 暗 层 、 3层明层、 3层 暗层、 4层 明层 、 4层暗层 、 5层 明 层 、 5层明层柱顶 ， 及塔顶莲花座底座处 ， 除 1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 ， 测试木 塔在 东 西 向和南 北 向水平 方 向上 的 振动。 该次测试分别在有游客参观和无游客参观两种 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 ， 采集 的振动数据 为在 脉动激励下的加速度响应时程， 通过对采集 到的数 据进行处理分析 ， 得到应县木塔主体结构动力特性 参数如下。 1 固有频率 应县木塔在有游客参观和无游客参观的两种工 况下 ， 木塔东西向和南北 向的第一 阶 自振频率和第 二阶 自振频率均相同， 第三阶 自振频率有所不 同， 木 塔东西向和南北向两个方向的一阶、 二阶和三阶 自 四川建筑科学研究 第 3 6卷 振频率见表 3 。 表 3 自振频率分析结果 T a b l e 3 Th e r e s u l t o f b u i l d i n g n a t u r a l f r e q u e n c y 南北方向 东西方向 0 ． 6 3 5 0 ． 6 3 5 I ． 7 0 9 1 ． 7 0 9 2． 8 3 2 2． 7 8 3 2 振型 在有游客参观和无游客参观工况下 ， 对木塔的 前三阶振型进行了测试 ， 结果如图 6 9所示 。 2 ． 1 0 1 2- 2 - l 0 1 2 b 第二阶振型 1 ．7 0 9 H z c 第三阶振型2 ．8 3 2 Hz 图6 无游客参观工况． 南北方向的自振振型 Fi g ． 6 No v i s i t o r s ， t h e v i b r a t i o n m o d e o f wo o d t o we r i n t he s o ut h- no r t h d i r e c t i o n 55 5 0 45 4 0 35 量 矗。 。 骣 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 0 1 2 3 4 2 ． 1 0 l 2 - 2 1 0 l 2 a 第一阶振型O ．6 3 5 H z b 第二阶振型1 ． 7 0 9 H z c 第三阶振型2 ．7 8 3 H z 图7 无游客参观工况． 东西方向的白振振型 F i g ． 7 No v i s i t o r s ，t h e v i b r a t i o n m o d e o fwoo d t o we r i n th e e a s t ． we s t d i r e c t i o n 以上仅是第一次测试 ， 以后还将结合定期监测 和不定期监测的数据根据需要进行深入分析。 4 结语 结构动力特性测试在优秀历史建筑保护中的应 55 5 0 4 5 4 0 35 、3 0 谴 2 5 2 O l 5 1 0 0 0 1 2 3 4- 2 ． 1 0 1 2． 2 ． 1 0 l 2 a 第一阶振型 0 ． 6 3 5 Hz C o 第二阶振型 1 ． 7 0 9 Hz c 第三阶振型2 ．8 3 2 Hz 图8 有游客参观工况， 南北方向的自振振型 Fi g ． 8 S o me vis i t o r s ， the vib ra t i o n mo d e o f wo o d t o we r in t h e s o u th ． n o r t h d i r e c tio n 5 5 5 0 4 5 40 3 5 3 0 ．喧 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 0 l 2 3 4 5 6 7- 4 3 2 一 1 0 1 2 3_ 4 ． 3 - 2 - 1 0 I 2 3 a 第一阶振型0 ．6 3 5 H z b 第二阶振型 1 ．7 0 9 H z c 第三阶振型2 ．7 8 3 H z 图9 有游客参观工况， 东西方向的自振振型 F i g ． 9 S o me vis i t o rs ， th e vib ra ti o n mod e o f wo o d t o we r in t h e e a s t ． we s t d i r e c t i o n 用研究 ， 刚刚起步， 主要还处于获取和保留优秀历史 建筑动力特性基本参数的基础数据 的阶段 ， 分析工 作是非常初步的， 大量 的监测还有待于在今后 的定 期监测和不定期应急监测中进行 ， 结构动力特性测 试一定会为优秀历史建筑的保护作出贡献。 参 考 文 献 吴体， 肖承波， 熊峰． 建筑结构中的振动问题与对策[ J ] ． 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 6 6 1 4 2 1 4 4 ． 于建华 ， 谢用九 ， 魏泳涛． 高等结 构动力学 [ M] ． 成都 四川大 学出版社 ， 2 0 0 1 ． 李德葆， 陆秋海． 实验模态分析及其应用[ M] ． 北京 科学出版 社， 2 0 O 1 ． 卯 加 如 加 m g＼ 碹肇