基于振動(dòng)分析的老舊建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與維修技術(shù)研究

老舊建筑往往承載著一座城市的歷史和文化，是城市功能正常運(yùn)行的重要組成部分。然而，由于長(zhǎng)期受到自然老化、環(huán)境侵蝕、設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)的變遷以及潛在的超載使用等多重因素的影響，老舊建筑的結(jié)構(gòu)性能逐漸退化，安全隱患不斷增多，急需對(duì)其采取系統(tǒng)性的評(píng)估和及時(shí)有效的維護(hù)策略。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法主要依賴于直觀檢查和簡(jiǎn)單的靜力測(cè)試，雖然能夠在一定程度上找出結(jié)構(gòu)的宏觀損傷，但難以發(fā)現(xiàn)和及時(shí)檢測(cè)到微小裂縫或內(nèi)部缺陷。為此，振動(dòng)分析技術(shù)可以通過(guò)非侵入性的方式來(lái)評(píng)估當(dāng)前結(jié)構(gòu)的健康狀況，并預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的未來(lái)性能，從而為結(jié)構(gòu)的維修和加固提供科學(xué)依據(jù)。深入探索振動(dòng)分析技術(shù)在老舊建筑維修領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅有助于提升老舊建筑的安全性和功能性，還能為城市的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。因此，本文將圍繞這一主題展開(kāi)深入研究，旨在為老舊建筑的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與維修提供有價(jià)值的參考。

一、振動(dòng)分析概述

（一）振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量與分析

首先，振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量與分析是基于數(shù)據(jù)進(jìn)行的，即借助先進(jìn)的傳感技術(shù)與設(shè)備如加速度計(jì)、位移傳感器等，捕捉建筑結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境或人為激勵(lì)下產(chǎn)生的微小振動(dòng)。在收集數(shù)據(jù)之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和去噪。因?yàn)樵趯?shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)往往會(huì)受到風(fēng)吹、車輛行駛產(chǎn)生的振動(dòng)等各種環(huán)境噪聲的干擾，這些非目標(biāo)信號(hào)的存在會(huì)掩蓋或扭曲建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)振動(dòng)響應(yīng)。因此，需要通過(guò)數(shù)字濾波器、小波去噪等手段排除這些干擾，以便于提取出能夠代表結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的純凈振動(dòng)信號(hào)。其次，對(duì)凈化后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，通常會(huì)采用傅里葉變換，這一方法能夠?qū)r(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，通過(guò)頻域分析識(shí)別出結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型等關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)。自然頻率能夠反映結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，任何關(guān)于自然頻率的顯著變化都可以反映出結(jié)構(gòu)剛度的改變，而振型描述了結(jié)構(gòu)在特定頻率下振動(dòng)形態(tài)的參數(shù)，其變化暗示著結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)了損傷或缺陷。再次，借助模態(tài)分析技術(shù)監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)健康狀況。模態(tài)分析不僅可以確定結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型，還能夠提供振動(dòng)模態(tài)的阻尼比等信息。結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析，模態(tài)分析可以幫助構(gòu)建一個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能評(píng)估以及損傷診斷提供科學(xué)依據(jù)。

（二）振動(dòng)分析的意義

運(yùn)用振動(dòng)分析技術(shù)可以對(duì)建筑或結(jié)構(gòu)體在正常使用狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，以不侵入的方式獲得其動(dòng)態(tài)特性如自然頻率、振型和阻尼比等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)的微小變化往往暗示著結(jié)構(gòu)性能的改變。振動(dòng)分析使工程師能夠在不干擾結(jié)構(gòu)正常使用的前提下，持續(xù)評(píng)估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，從而在問(wèn)題初期階段便及時(shí)采取維修或加固措施，極大地提高了維護(hù)效率，而且降低了潛在的修復(fù)成本。振動(dòng)分析還能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷的診斷中。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)比損傷前后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性便可以準(zhǔn)確地定位損傷位置并評(píng)估損傷程度。此外，振動(dòng)分析技術(shù)在損傷診斷方面的應(yīng)用還能夠支持維修與加固方案的科學(xué)制定。結(jié)構(gòu)損傷的詳細(xì)診斷結(jié)果能夠?yàn)楣こ處熖峁┬迯?fù)工作的具體目標(biāo)和要求，如確定加固材料的類型和數(shù)量、選擇加固位置以及制定施工方法等。具體而言，對(duì)于由地基沉降引起的結(jié)構(gòu)不均勻沉降問(wèn)題，通過(guò)振動(dòng)分析確定了損傷程度后，可以針對(duì)性地采用壓漿或托換地基等方法進(jìn)行修復(fù)；對(duì)于由超載等原因造成的梁、板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫和變形，可以根據(jù)振動(dòng)分析結(jié)果，采用合適的加固材料進(jìn)行加固，從而提高構(gòu)件的承載能力。振動(dòng)分析技術(shù)還能夠在完成修復(fù)加固工作后對(duì)結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估。與修復(fù)前的振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比，從而直觀地觀察到結(jié)構(gòu)性能的改善情況，對(duì)于驗(yàn)證修復(fù)方案的有效性、指導(dǎo)后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)工作具有重要意義。

二、老舊建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法

（一）超聲波檢測(cè)法

超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度和衰減情況會(huì)因介質(zhì)性質(zhì)的不同而存在差異，當(dāng)超聲波在健康的結(jié)構(gòu)材料中傳播時(shí)，其速度較快，衰減較小，而一旦遇到裂縫、空洞等缺陷，其傳播速度便會(huì)減慢，衰減增大，甚至?xí)霈F(xiàn)反射和散射現(xiàn)象，因此需要利用精密的儀器記錄這些變化，以便于對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行定位和評(píng)估。超聲波檢測(cè)法還可以分析超聲波信號(hào)的頻率分布和波形特征，進(jìn)一步判斷缺陷的類型和嚴(yán)重程度。在老舊建筑的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中，超聲波檢測(cè)法主要用于混凝土和金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。在完好無(wú)損的混凝土結(jié)構(gòu)中，超聲波的傳播速度較快且衰減較?。环粗?，在存在裂縫、空洞或其他缺陷的區(qū)域內(nèi)，超聲波的傳播速度會(huì)減慢，衰減增大，且會(huì)出現(xiàn)反射波。因此，只需要分析超聲波的傳播時(shí)間、速度以及波形特征就可以定位混凝土中缺陷的位置，從而判斷缺陷的類型及其嚴(yán)重程度，評(píng)估混凝土的整體質(zhì)量。另一方面，超聲波檢測(cè)技術(shù)還可以用于測(cè)量混凝土中不同點(diǎn)位的超聲波速度，根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)評(píng)估混凝土的密實(shí)度和均勻性。具體來(lái)說(shuō)，如果混凝土的密實(shí)度較高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，超聲波傳播速度就較快；混凝土的密實(shí)度較低，含有較多的氣孔或微裂縫，超聲波傳播速度則會(huì)減慢。因此，超聲波檢測(cè)法的應(yīng)用不僅可以發(fā)現(xiàn)混凝土中的明顯缺陷，還能對(duì)混凝土的密實(shí)度和均勻性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)，超聲波檢測(cè)可以檢測(cè)到不易被直接觀察到的超聲波檢測(cè)內(nèi)部缺陷。在實(shí)際操作中，超聲波探頭會(huì)向金屬結(jié)構(gòu)發(fā)送超聲波脈沖，這些脈沖在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播過(guò)程中遇到缺陷時(shí)，部分聲波會(huì)被反射回來(lái)從而被同一探頭或其他探頭接收到。因此，只需要測(cè)量聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間就可以計(jì)算出聲波在金屬中的傳播距離，進(jìn)而確定缺陷的位置。超聲波檢測(cè)還可以通過(guò)分析反射信號(hào)的強(qiáng)度和波形，推斷缺陷的類型和大小。通常情況下，大的孔洞或裂縫會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的反射信號(hào)，較小的夾雜物則會(huì)引起微弱的散射信號(hào)。超聲波檢測(cè)技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)在于其具有高靈敏度，能夠檢測(cè)到極小的缺陷；具備深層探測(cè)能力，能夠評(píng)估厚度較大的金屬部件并且其操作具有較高的便捷性和安全性，這使得超聲波檢測(cè)成為了航空航天、汽車制造、石油化工等行業(yè)中金屬結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估的重要手段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，超聲波檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度便攜化和智能化，其與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合有助于對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，極大提升了評(píng)估工作的效率和準(zhǔn)確性。

（二）紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)的基本原理是，自然界中所有溫度高于零度的物體都會(huì)向外輻射出紅外輻射，利用紅外熱像儀便可以捕獲到這些輻射并將其轉(zhuǎn)換為可視化的熱圖。熱圖上不同顏色的分布反映了建筑表面及其內(nèi)部的溫度分布情況，溫度異常表明存在結(jié)構(gòu)問(wèn)題。紅外熱成像技術(shù)借助溫度分布的差異能夠透視建筑的表皮，直接觀測(cè)到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常情況，如墻體內(nèi)部的空洞或裂縫會(huì)因?yàn)闊醾鲗?dǎo)效率的差異，而在熱圖上產(chǎn)生明顯的冷熱區(qū)域?qū)Ρ?/span>。此外，利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，操作人員無(wú)需直接接觸建筑結(jié)構(gòu)，只需對(duì)建筑表面進(jìn)行掃描便可迅速獲取大量信息。這一特點(diǎn)使得紅外熱成像技術(shù)尤其適用于那些大規(guī)模或難以直接接觸的建筑結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估，對(duì)于保護(hù)歷史建筑、維護(hù)大型公共設(shè)施以及住宅的日常檢查等都具有重要價(jià)值。定期進(jìn)行紅外熱圖檢測(cè)不僅可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，避免事故發(fā)生，還可以為建筑的維修和加固提供科學(xué)依據(jù)，確保修復(fù)措施的針對(duì)性和有效性。

三、基于振動(dòng)分析的老舊建筑結(jié)構(gòu)維修技術(shù)

（一）結(jié)構(gòu)加固方法

基于振動(dòng)分析的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在實(shí)施前需要對(duì)建筑展開(kāi)全面而細(xì)致的動(dòng)態(tài)特性評(píng)估，通過(guò)安裝高靈敏度傳感器，收集建筑在自然環(huán)境激勵(lì)（如風(fēng)、地震等）或人為激勵(lì)下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。收集完數(shù)據(jù)后，運(yùn)用高級(jí)的信號(hào)處理和模態(tài)分析技術(shù)，準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型和阻尼比等關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)。這些參數(shù)的變化可以直觀地反映結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，從而為加固方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。在振動(dòng)分析基礎(chǔ)上，對(duì)于因材料老化或外力影響而產(chǎn)生裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)，可采用注入環(huán)氧樹(shù)脂或碳纖維加固帶進(jìn)行局部加固。環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的粘結(jié)性能和較高的強(qiáng)度，能夠深入裂縫內(nèi)部與混凝土實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，從而恢復(fù)、提升裂縫區(qū)域的結(jié)構(gòu)性能。在實(shí)際操作過(guò)程中，首先需要清理裂縫周圍的混凝土表面，然后使用專用的注射設(shè)備將環(huán)氧樹(shù)脂緩慢注入裂縫中，直至充滿并溢出裂縫口。環(huán)氧樹(shù)脂固化后會(huì)形成堅(jiān)硬的填充物，可有效阻止水分和有害物質(zhì)的侵入，降低結(jié)構(gòu)進(jìn)一步損傷的風(fēng)險(xiǎn)。在將碳纖維材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)，需要先對(duì)裂縫附近的混凝土表面進(jìn)行打磨處理以增強(qiáng)其與碳纖維加固帶的粘結(jié)力。然后，涂抹一層專用的粘接劑，將碳纖維加固帶貼附在需要加固的區(qū)域上。隨著粘接劑逐漸固化，碳纖維加固帶與混凝土形成了牢固的復(fù)合材料層，可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪能力，增強(qiáng)受損區(qū)域的承載力和延展性。而對(duì)于承載能力不足的結(jié)構(gòu)，則需要通過(guò)增設(shè)鋼支撐或外包鋼板等方式來(lái)提升其整體剛度和承載能力，以確保加固措施能夠精確地作用于結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而最大程度地恢復(fù)或提升其安全性能。

（二）碳纖維加固技術(shù)

相較于傳統(tǒng)的鋼材加固，碳纖維的施工過(guò)程更加便捷，能夠迅速貼合各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)表面，如梁、柱、墻體等。碳纖維材料可基于預(yù)先設(shè)計(jì)好的形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體損傷情況和加固需求開(kāi)展定制化施工，有助于大幅縮短工期，提高維修工程的效率。在材料性能的優(yōu)化方面，碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，能夠有效抵御酸堿、鹽霧、濕氣等多種腐蝕因素，以有效延長(zhǎng)建筑結(jié)構(gòu)的服役壽命。碳纖維加固技術(shù)還可以針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)損傷如裂縫、剝離等問(wèn)題進(jìn)行局部加固或整體加強(qiáng)，從而在維護(hù)建筑原有風(fēng)貌的同時(shí)，確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。碳纖維加固技術(shù)的應(yīng)用需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的振動(dòng)分析，以準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)和損傷位置，從而為碳纖維加固提供科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo)。這種基于精確診斷的定制化加固策略能夠大大提高加固的針對(duì)性和有效性，從而為老舊建筑的保護(hù)和利用提供新的技術(shù)路徑。

（三）外部預(yù)應(yīng)力技術(shù)

外部預(yù)應(yīng)力技術(shù)的加固原理是通過(guò)提供額外的反向力來(lái)平衡已存在的不利荷載或改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，可精確計(jì)算以確定加固部位和預(yù)應(yīng)力的大小，從而有效地控制和減少由荷載變化、溫度波動(dòng)或結(jié)構(gòu)老化引起的裂縫和變形，顯著提高結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。在施工過(guò)程中，首先需要對(duì)老舊結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)與評(píng)估，借助振動(dòng)分析等先進(jìn)技術(shù)準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況和加固需求設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的施加方案，明確預(yù)應(yīng)力的大小、方向以及施加的位置等內(nèi)容。在施工過(guò)程中，還應(yīng)采用專業(yè)設(shè)備如液壓張拉機(jī)和壓力傳感器等準(zhǔn)確控制張拉力的大小，確保鋼材或鋼索能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力值。在張拉操作中，采用逐步加載的方式使鋼材或鋼索逐漸受力，同時(shí)利用傳感器監(jiān)測(cè)其受力情況，以保證力的施加是均勻且準(zhǔn)確的。錨固系統(tǒng)需要具備足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以承受預(yù)應(yīng)力鋼材或鋼索的張拉力，并將這些力有效地傳遞至結(jié)構(gòu)體，從而保證預(yù)應(yīng)力的長(zhǎng)期作用。因此，在錨固系統(tǒng)的選擇和安裝過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)范推進(jìn)，且必須嚴(yán)格控制預(yù)應(yīng)力的施加，如果施加的預(yù)應(yīng)力過(guò)大，不僅會(huì)使鋼材或鋼索過(guò)度張拉甚至斷裂，還會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。因此，施工團(tuán)隊(duì)需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，精確計(jì)算預(yù)應(yīng)力的大小，并在施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保預(yù)應(yīng)力施加就控制在安全和有效的范圍內(nèi)。

四、結(jié)語(yǔ)

總之，本文圍繞基于振動(dòng)分析的老舊建筑結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與維修技術(shù)進(jìn)行了深入探討，結(jié)果表明，振動(dòng)分析技術(shù)能夠有效識(shí)別老舊建筑中的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，如裂縫、腐蝕或結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，為建筑的維修和加固提供了準(zhǔn)確的方向和依據(jù)。未來(lái)，可以結(jié)合技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化，并借助跨學(xué)科的研究方法為老舊建筑的安全評(píng)估與維修工作提供更加全面和深入的支持，以保障老舊建筑的安全性，延長(zhǎng)其服役壽命。

文章來(lái)源：  《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》   http://00559.cn/w/kj/32519.html