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

老舊建筑往往承載著一座城市的歷史和文化，是城市功能正常運行的重要組成部分。然而，由于長期受到自然老化、環(huán)境侵蝕、設計與施工標準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，急需對其采取系統(tǒng)性的評估和及時有效的維護策略。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)安全評估方法主要依賴于直觀檢查和簡單的靜力測試，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)和及時檢測到微小裂縫或內(nèi)部缺陷。為此，振動分析技術(shù)可以通過非侵入性的方式來評估當前結(jié)構(gòu)的健康狀況，并預測結(jié)構(gòu)的未來性能，從而為結(jié)構(gòu)的維修和加固提供科學依據(jù)。深入探索振動分析技術(shù)在老舊建筑維修領(lǐng)域的應用，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)展貢獻力量。因此，本文將圍繞這一主題展開深入研究，旨在為老舊建筑的結(jié)構(gòu)安全評估與維修提供有價值的參考。

一、振動分析概述

（一）振動響應的測量與分析

首先，振動響應的測量與分析是基于數(shù)據(jù)進行的，即借助先進的傳感技術(shù)與設備如加速度計、位移傳感器等，捕捉建筑結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境或人為激勵下產(chǎn)生的微小振動。在收集數(shù)據(jù)之后，需要對數(shù)據(jù)進行濾波和去噪。因為在實際監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)往往會受到風吹、車輛行駛產(chǎn)生的振動等各種環(huán)境噪聲的干擾，這些非目標信號的存在會掩蓋或扭曲建筑結(jié)構(gòu)的真實振動響應。因此，需要通過數(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)動態(tài)特性的純凈振動信號。其次，對凈化后的振動信號進行頻域分析，通常會采用傅里葉變換，這一方法能夠?qū)r域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，通過頻域分析識別出結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型等關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)。自然頻率能夠反映結(jié)構(gòu)的固有振動特性，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，還能夠提供振動模態(tài)的阻尼比等信息。結(jié)合數(shù)值模擬與實驗分析，模態(tài)分析可以幫助構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)的動態(tài)模型，從而為結(jié)構(gòu)設計、性能評估以及損傷診斷提供科學依據(jù)。

（二）振動分析的意義

運用振動分析技術(shù)可以對建筑或結(jié)構(gòu)體在正常使用狀態(tài)下的振動響應進行連續(xù)監(jiān)測，以不侵入的方式獲得其動態(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)評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，從而在問題初期階段便及時采取維修或加固措施，極大地提高了維護效率，而且降低了潛在的修復成本。振動分析還能應用于結(jié)構(gòu)損傷的診斷中。當結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，其動態(tài)特性會發(fā)生變化，通過對比損傷前后結(jié)構(gòu)的振動特性便可以準確地定位損傷位置并評估損傷程度。此外，振動分析技術(shù)在損傷診斷方面的應用還能夠支持維修與加固方案的科學制定。結(jié)構(gòu)損傷的詳細診斷結(jié)果能夠為工程師提供修復工作的具體目標和要求，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，對于由地基沉降引起的結(jié)構(gòu)不均勻沉降問題，通過振動分析確定了損傷程度后，可以針對性地采用壓漿或托換地基等方法進行修復；對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)振動分析結(jié)果，采用合適的加固材料進行加固，從而提高構(gòu)件的承載能力。振動分析技術(shù)還能夠在完成修復加固工作后對結(jié)構(gòu)的修復效果進行評估。與修復前的振動特性進行對比，從而直觀地觀察到結(jié)構(gòu)性能的改善情況，對于驗證修復方案的有效性、指導后續(xù)的維護保養(yǎng)工作具有重要意義。

二、老舊建筑結(jié)構(gòu)安全評估方法

（一）超聲波檢測法

超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度和衰減情況會因介質(zhì)性質(zhì)的不同而存在差異，當超聲波在健康的結(jié)構(gòu)材料中傳播時，其速度較快，衰減較小，而一旦遇到裂縫、空洞等缺陷，其傳播速度便會減慢，衰減增大，甚至會出現(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，以便于對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷進行定位和評估。超聲波檢測法還可以分析超聲波信號的頻率分布和波形特征，進一步判斷缺陷的類型和嚴重程度。在老舊建筑的結(jié)構(gòu)安全評估中，超聲波檢測法主要用于混凝土和金屬結(jié)構(gòu)的檢測。在完好無損的混凝土結(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減慢，衰減增大，且會出現(xiàn)反射波。因此，只需要分析超聲波的傳播時間、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重程度，評估混凝土的整體質(zhì)量。另一方面，超聲波檢測技術(shù)還可以用于測量混凝土中不同點位的超聲波速度，根據(jù)測量結(jié)果來評估混凝土的密實度和均勻性。具體來說，如果混凝土的密實度較高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，超聲波傳播速度就較快；混凝土的密實度較低，含有較多的氣孔或微裂縫，超聲波傳播速度則會減慢。因此，超聲波檢測法的應用不僅可以發(fā)現(xiàn)混凝土中的明顯缺陷，還能對混凝土的密實度和均勻性進行綜合評價。對于金屬結(jié)構(gòu)，超聲波檢測可以檢測到不易被直接觀察到的超聲波檢測內(nèi)部缺陷。在實際操作中，超聲波探頭會向金屬結(jié)構(gòu)發(fā)送超聲波脈沖，這些脈沖在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播過程中遇到缺陷時，部分聲波會被反射回來從而被同一探頭或其他探頭接收到。因此，只需要測量聲波從發(fā)射到接收的時間就可以計算出聲波在金屬中的傳播距離，進而確定缺陷的位置。超聲波檢測還可以通過分析反射信號的強度和波形，推斷缺陷的類型和大小。通常情況下，大的孔洞或裂縫會導致較強的反射信號，較小的夾雜物則會引起微弱的散射信號。超聲波檢測技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)檢測中的應用優(yōu)點在于其具有高靈敏度，能夠檢測到極小的缺陷；具備深層探測能力，能夠評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)完整性評估的重要手段。隨著技術(shù)的進步，超聲波檢測設備已經(jīng)實現(xiàn)了高度便攜化和智能化，其與數(shù)字技術(shù)的結(jié)合有助于對檢測結(jié)果進行實時分析和處理，極大提升了評估工作的效率和準確性。

（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)部的空洞或裂縫會因為熱傳導效率的差異，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)進行檢測時，操作人員無需直接接觸建筑結(jié)構(gòu)，只需對建筑表面進行掃描便可迅速獲取大量信息。這一特點使得紅外熱成像技術(shù)尤其適用于那些大規(guī)?；螂y以直接接觸的建筑結(jié)構(gòu)的安全評估，對于保護歷史建筑、維護大型公共設施以及住宅的日常檢查等都具有重要價值。定期進行紅外熱圖檢測不僅可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問題，避免事故發(fā)生，還可以為建筑的維修和加固提供科學依據(jù)，確保修復措施的針對性和有效性。

三、基于振動分析的老舊建筑結(jié)構(gòu)維修技術(shù)

（一）結(jié)構(gòu)加固方法

基于振動分析的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)在實施前需要對建筑展開全面而細致的動態(tài)特性評估，通過安裝高靈敏度傳感器，收集建筑在自然環(huán)境激勵（如風、地震等）或人為激勵下的振動數(shù)據(jù)。收集完數(shù)據(jù)后，運用高級的信號處理和模態(tài)分析技術(shù)，準確地識別結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型和阻尼比等關(guān)鍵動態(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依據(jù)。在振動分析基礎(chǔ)上，對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)氧樹脂或碳纖維加固帶進行局部加固。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的粘結(jié)性能和較高的強度，能夠深入裂縫內(nèi)部與混凝土實現(xiàn)緊密結(jié)合，從而恢復、提升裂縫區(qū)域的結(jié)構(gòu)性能。在實際操作過程中，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備將環(huán)氧樹脂緩慢注入裂縫中，直至充滿并溢出裂縫口。環(huán)氧樹脂固化后會形成堅硬的填充物，可有效阻止水分和有害物質(zhì)的侵入，降低結(jié)構(gòu)進一步損傷的風險。在將碳纖維材料應用于結(jié)構(gòu)加固時，需要先對裂縫附近的混凝土表面進行打磨處理以增強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合材料層，可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪能力，增強受損區(qū)域的承載力和延展性。而對于承載能力不足的結(jié)構(gòu)，則需要通過增設鋼支撐或外包鋼板等方式來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，碳纖維的施工過程更加便捷，能夠迅速貼合各種復雜形狀的結(jié)構(gòu)表面，如梁、柱、墻體等。碳纖維材料可基于預先設計好的形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體損傷情況和加固需求開展定制化施工，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度、高模量的特點，對環(huán)境的適應性很強，能夠有效抵御酸堿、鹽霧、濕氣等多種腐蝕因素，以有效延長建筑結(jié)構(gòu)的服役壽命。碳纖維加固技術(shù)還可以針對特定的結(jié)構(gòu)損傷如裂縫、剝離等問題進行局部加固或整體加強，從而在維護建筑原有風貌的同時，確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。碳纖維加固技術(shù)的應用需要對建筑結(jié)構(gòu)進行細致的振動分析，以準確識別結(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的依據(jù)和指導。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性和有效性，從而為老舊建筑的保護和利用提供新的技術(shù)路徑。

（三）外部預應力技術(shù)

外部預應力技術(shù)的加固原理是通過提供額外的反向力來平衡已存在的不利荷載或改善結(jié)構(gòu)的力學性能。在實際應用中，可精確計算以確定加固部位和預應力的大小，從而有效地控制和減少由荷載變化、溫度波動或結(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。在施工過程中，首先需要對老舊結(jié)構(gòu)進行詳細的檢測與評估，借助振動分析等先進技術(shù)準確識別結(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計預應力的施加方案，明確預應力的大小、方向以及施加的位置等內(nèi)容。在施工過程中，還應采用專業(yè)設備如液壓張拉機和壓力傳感器等準確控制張拉力的大小，確保鋼材或鋼索能夠達到設計的預應力值。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，同時利用傳感器監(jiān)測其受力情況，以保證力的施加是均勻且準確的。錨固系統(tǒng)需要具備足夠的強度和穩(wěn)定性，以承受預應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，從而保證預應力的長期作用。因此，在錨固系統(tǒng)的選擇和安裝過程中，必須嚴格按照設計要求和施工規(guī)范推進，且必須嚴格控制預應力的施加，如果施加的預應力過大，不僅會使鋼材或鋼索過度張拉甚至斷裂，還會導致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。因此，施工團隊需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況和設計要求，精確計算預應力的大小，并在施工過程中進行實時監(jiān)控，確保預應力施加就控制在安全和有效的范圍內(nèi)。

四、結(jié)語

總之，本文圍繞基于振動分析的老舊建筑結(jié)構(gòu)安全評估與維修技術(shù)進行了深入探討，結(jié)果表明，振動分析技術(shù)能夠有效識別老舊建筑中的結(jié)構(gòu)性問題，如裂縫、腐蝕或結(jié)構(gòu)弱點，為建筑的維修和加固提供了準確的方向和依據(jù)。未來，可以結(jié)合技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化，并借助跨學科的研究方法為老舊建筑的安全評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，延長其服役壽命。

文章來源：  《產(chǎn)品可靠性報告》   http://www.k2057.cn/w/kj/32519.html