电力系统房屋动力检测方法研究

先勤 汪洋

(1.国家电网四川省电力公司宜宾供电公司，四川宜宾 644099;2.上海电力学院电力安全管理研究所，上海 200090)

0 引言

电力系统作为城市生命线工程的重要组成部分，其各类的房屋安全与否关系到整个电力系统的安全运行，对国民生产和生活都至关重要。尤其是房屋在遭受各类自然灾害后需要进行迅速的安全评估，并采取相应的措施，以便尽快的投入生产，以利于抗灾救灾和灾后重建工作。因此，电力系统房屋的安全检测与评价，已成为建筑安全检测和电力建设管理共同关注的重要课题。

目前传统的房屋安全检测还是依照GBJ 50292-1999 民用建筑可靠性鉴定标准和GBJ 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准来执行的，该规范方法检测过程内容多，周期长，而且现在房屋类型及结构体系多种多样，且各种评价指标之间的关系较为复杂，有时会出现相互矛盾的情况。因此如何应用现代先进的检测技术，以科学合理的方式应用在电力系统房屋的安全检测中，以保障电力系统的安全运行，将具有十分重要的现实意义。

1 动测技术的基本原理

传统的结构检测方法有回弹法、超声法、钻芯取样法、现场结构加载试验等，有的只能对材料强度做出检测评定，有的虽然能对结构整体安全做出评价(现场结构加载试验)，却容易引起结构损坏。动力测试技术是通过激振或环境脉动测出结构的动力特性，根据房屋结构动力参数的改变，来作为判断结构损伤发生的标志，同时借助一定的理论分析和现场测试以诊断结构的损伤部位和程度［1］。动力测试技术因其设备简单、快速、安全，对结构无损伤而获得了迅速的推广。

如上所述，目前研究与应用中动力测试技术所用的动力参数众多，如何针对某类型房屋，找出能准确测量的参数，以及给出一个损伤程度的判断标准，这是目前动力测试技术应用研究的重点和难点。

2 电力系统房屋结构动测的具体实施

考虑到电力系统中房屋的特点，一般房屋结构相对比较简单，多为多层的框架和砌体结构房屋，体型比较规整。运行环境比较特殊，安全检测应尽可能不影响人员的工作和设备的运行。因此，如何用1 个～2 个简单易测且较为准确的指标，去迅速判断电力系统房屋结构的健康状况和损伤程度，是我们研究的重点。

从近年来国内外的学者在结构动力检测评价指标研究的成果来看［2-4］，频率指标因其测量容易，准确度高，已广泛作为房屋结构损伤评价指标。同时对于低阻尼比的房屋，阻尼比也是一个较为简单准确的评价指标。因此笔者根据长期的工程结构安全检测的经验，针对电力系统房屋检测的特点提出以下两个损伤判断指标。

2.1 频率破损指标

在结构的动力特性参数中，自振频率尤其是低阶频率(第1阶～第3 阶自振频率)最容易测量，且容易激发，通常环境激励即可测到，噪声对其干扰小，而且电力系统中的房屋以单层或多层的砖混结构或框架结构房屋居多，此类房屋刚度大，1 阶自振频率较高，这样局部损伤，尤其是早期损伤容易在低阶自振频率的改变中反映出来［5］。因此本文以结构的一阶自振频率作为此类房屋结构损伤程度评价的指标。具体指标见式(1)和表1:

其中，σf1为初始结构或完好结构的一阶自振频率;f1为实测结构的一阶自振频率。

表1 损伤指标I1的定量分析

2.2 阻尼比指标

对于电力系统中很多有设备运行的房屋，设备开动时的激励能量较大，而阻尼比此时对结构的整体损伤比较敏感，其改变量的大小能及时反映结构的整体损伤情况。因此，在本文把结构一阶阻尼比也作为一个判断指标，具体指标见式(2)和表2:

其中，σξ1为设备静止时结构的一阶阻尼比;ξ1为设备运行时结构的一阶阻尼比。

表2 损伤指标I2的定量分析

3 工程实测分析

为验证本文提出方法的科学性和可行性，通过一个典型的电力系统房屋的工程安全检测，利用两种方法分别进行测试，综合比较两种方法的测试过程和结果，以得出客观判断。

南方某省一火电厂汽轮发电机室因技术改造需要进行安全检测，该结构平面呈矩形，采用钢筋混凝土柱与钢屋架组成的排架结构，总建筑面积约1 444 m2，基础采用钢筋混凝土独立基础，厂房内部汽轮发电机基础与主体结构之间设有缝宽约100 mm 的抗震缝，屋面采用C 型檩条和压型彩钢板屋面，抗震等级为二级。该房屋汽轮发电机室结构平面如图1 所示。因电厂进行技术改造，对该房屋的可靠性进行检测评估。

图1 排架结构平面图

3.1 传统检测过程及结果

1)现场测试。

根据现场测绘，发现本工程除少数门窗洞口尺寸或位置存在变更，其余建筑、结构布置均与原设计图纸相符。

通过现场勘察，建筑物周边地面未见明显沉陷，未发现排架柱、梁、板明显变形和开裂现象，钢屋盖未见明显异常情况，填充墙体、屋面檐口等围护结构构件工作状态未见明显异常，所以判断该房屋地基基础无严重静载缺陷。

2)倾斜测量。

根据现场实际条件布置16 个测点量测钢筋混凝土柱排架平面内顶点的侧向位移，测量数据表明，排架柱顶点侧移方向无明显一致性，其中最大测点侧向位移值为1/600H;排架柱平面外未见明显变形，吊车运行正常。

3)结构材料强度检测。

根据图纸资料，在现场抽取6 根钢筋混凝土柱、6 根钢筋混凝土梁及2 跨钢筋混凝土吊车梁构件进行混凝土强度回弹法检测。数据表明，所检柱构件现龄期混凝土强度推定值为28.6 MPa～34.1 MPa，基本满足设计强度等级C30 的要求;所检梁构件现龄期混凝土强度推定值为30.8 MPa～36.2 MPa，满足设计强度等级C30 的要求;所检吊车梁构件现龄期混凝土强度推定值为32.7 MPa，满足设计强度等级C30 的要求。

4)计算分析。

利用SAP 软件对该房屋结构进行建模计算分析，分析结果表明原房屋的实际所配钢筋及构造措施均能满足现行有关规范的规定。

5)结论。

根据GBJ 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准，该房屋结构可靠性等级可评为二级，即“可靠性略低于国家现行标准规范要求，不影响正常使用，个别项目应采取措施”。

3.2 动测法及结果

本文动力检测设备采用的是同济大学结构工程与防灾研究所自主研发的SVSA 振动信号采集与分析系统，在汽轮发电机室设备静止和设备运行状态下分别进行了测试，其结果见表3。从测试结果分析，该房屋纵、横向频率指标和阻尼比指标基本均在本文表1 和表2 所列的正常范围内，表明该房屋结构健康状况良好，既有设备改造时不需要进行结构整修和加固。

表3 汽轮机房振动测试结果

4 结语

本文简单介绍了动力测试技术的原理和方法，并提出了一阶频率和阻尼比两个评价指标及其判断标准，通过一个工程实例，综合比较了传统检测方法和动力测试方法，从两种方法的对比可以看出，采用传统检测方法耗时很长(整个汽轮机室现场检测花费约需1 d 时间，且后期的数据处理也需要一定时间)，部分检测项目可能影响到正常生产(如吊车梁的回弹和钢筋扫描须设备停运)。而动测法检测过程仅需30 min，且不会影响正常生产，所得结论准确，说明动力测试技术对于电力系统中这类有特殊需要的房屋安全检测更为适用。

［1］朱宏平，余 璟，张俊兵.结构损伤动力检测与健康监测研究现状与展望［J］.工程力学，2011，28(2) :1-11.

［2］Law S S，Ward H S，Shi G B，et al.Dynamic assesement of bridge loading carrying capacities［J］.Structure Engineering，ASCE，1995，121(3) :478-495.

［3］张瑞云，曹双寅.基于振动的大型工程结构损伤识别策略研究［J］.工业建筑，2005，35(sup) :958-961.

［4］徐 丽，易伟健，吴高烈.混凝土框架柱刚度变化识别的应变模态方法研究［J］.振动与冲击，2006，25(3) :1-5.

［5］施卫星，汪 洋，刘成清.基于频率测量的高层建筑地震作用损伤分析［J］.西南交通大学学报，2007，42(4) :1-6.