基于频域分析的既有建筑物快速诊断

沈 翔

（上海城建市政工程集团有限公司，上海 200092 ）

0 引言

由于我国经济的快速发展，近年来我国城市中基坑工程的数量也在与日俱增。然而基坑工程对周围环境的影响，尤其是在城市繁华地区的基坑对周边建筑物的影响得到了越来越广泛的关注。因此在深基坑工程施工过程中，采用各种手段对基坑的安全性进行监测就显得越来越重要。目前工程实践中多采用诸如沉降观测、倾斜观测和裂缝观测等传统性能指标，需要预先在建筑上设置观测点，同时还需要大量人工进行反复观测，这难免会对建筑用户造成各种干扰[1]。基于频域分析的结构动力学性能指标（如频率、振型、阻尼比、加速度等）由于检测速度快，不需要大量布点，所需人工少的特点，不仅在土木工程领域，在机械工程甚至航空航天领域也得到了广泛的运用[2]。本文结合实际工程,通过采集既有居住建筑受周边地下连续墙施工影响前后的加速度数据，通过傅里叶变换得到自振频率，从而分析建筑的受损情况，为相关建筑快速检测提供了参考。

1 基本原理

在受影响的建筑物上安装高精度的加速度传感器，以检测不同时期建筑物在环境随机激励（地面振动和空气作用）作用下的随机振动。由于物体有按照其固有频率振动的趋势，因此通过分析建筑物振动在各频率范围内的能量分布（频谱分析），就能得到建筑物的固有频率[3]。固有频率是一个整体量，也是目前结构动力测试中最易测得的模态参数[4]。通过跟踪建筑物固有频率的变化来反应建筑结构受到的损伤，从而进行结构损伤预警是合适的[6-7]。

2 工程概况

在上海市区某繁华地段进行地下连续墙施工。地下连续墙宽1.2 米，深70 米，采用抓铣成槽工艺（50 米抓斗成槽机+20 米铣槽机）。地下连续墙分幅、施工顺序以及与周围建筑物位置关系见图1 和图2。在地下连续墙施工前，项目部为了保证建筑安全,对该两栋建筑布设了大量的沉降观测点，以监测施工过程中建筑物发生的沉降、不均匀沉降以及裂缝。在满足施工安全要求的前提下,项目部在地墙成槽前后在这两栋房屋顶层质心附近楼面各安装了两套加速度传感器进行测试。加速度传感器测量方向为平行于地下连续墙和垂直于地下连续墙两个方向，如图1 所示。

图1 受影响建筑位置图

3 数据整理及分析

3.1 数据整理

本研究采用DASP 系统以100Hz 的采样频率采集建筑物自由振动的加速度信号3 分钟。

得到的信号为一串离散的脉动数据Xi(i=1,2,3...30000)。为了减少截断连续信号导致的噪声，本研究采用hanning 窗（如式1 所示）对采集到的前214(16384)个数据进行预处理。

将通过窗函数处理后的信号进行傅里叶变换，最终得到功率谱函数S(w)，从而识别建筑的固有频率。因篇幅所限，这里仅展示建筑1 的加速度时程曲线和对应的功率谱，如下图所示：

图4 地下连续墙施工前建筑1 两方向的加速度时程与功率谱曲线

3.2 数据分析

地墙施工对建筑1 的影响以距离建筑1 最近的11 号地下连续墙为例（11号地墙充盈系数1.05，超声波测壁未发现明显的塌孔现象），可以看出11 号地墙成槽后，建筑1 两个方向的自振频率均有所下降，下降幅度约在1%左右。随着混凝土的浇筑，建筑1 两方向的振动频率又有所提升，最终回到略低于成槽前的状态。出现下降的原因是抓铣成槽对建筑1 基础产生了扰动，所成的槽段又使建筑1 底部的土体所受的侧向约束降低。最终表现为建筑1 基础刚度下降，自振频率降低。随着混凝土的浇筑，混凝土填补了槽段空隙恢复了建筑基础所受的侧向约束，基础刚度得到了回升，随着混凝土硬化，建筑的自振频率略有增加。1 号地墙（1 号地墙充盈系数1.08，超声波测壁未发现明显的塌孔现象）对建筑2 也有类似影响。然而由于建筑2 为筏板基础，且距离地墙1 距离较近，成孔后2 方向自振频率降幅大于建筑1，约为2%。随着混凝土的浇筑，建筑2 的自振频率也得到了较大程度的恢复。这说明地下连续墙成槽会降低周围建筑的地基刚度，且筏板基础所受到的影响较桩基础大。

表1 地下连续墙施工各阶段对周围建筑频率的影响（Hz）

由于篇幅有限，以上仅对1 号地墙和11 号地墙进行了分析。其他幅地墙施工前后建筑和建筑2 的自振频率也有类似的趋势。成槽时自振频率降低，混凝土浇筑过程中自振频率得到回升，最终混凝土凝固后自振频率稳定。地墙施工质量对周围建筑自振频率也有显著影响，特别是地墙6 施工前后建筑2 的频率下降了约0.8%。对地墙6 施工质量进行分析可以发现地墙6 的充盈系数为1.15 明显偏大，查看超声波测壁发现地墙6 在地面以下2 米至地面以下11 米范围内存在明显的塌孔，最大塌陷高度达到了40cm。这说明槽壁塌孔会显著降低周围建筑物地基的刚度，且损失的刚度难以随着混凝土的浇筑而恢复。建筑1 和建筑2 每经历一次地下连续墙从成槽到混凝土浇筑硬化的循环，自振频率都有一定程度的下降。最终当北幅地墙全部施工完成后，建筑1 和建筑2 的自振频率如表2 所示：

表2 地墙施工前后建筑自振频率下降

可以看出地下连续墙施工前后建筑1 和建筑2 的自振频率都有一定程度的下降，这是15 幅地下连续墙累计后的共同结果。这说明每幅地下连续墙施工都会对建筑基础产生一定的不可逆的影响，原因包括不均匀沉降和地下水损失。然而建筑1 和建筑2 频率的下降比例不同。建筑2 总共下降了4.5%，建筑1 下降了1.6%。这是由于建筑2 采用的是筏板基础，相较建筑1 采用的桩基础对地基的敏感性更强。

根据韩瑞龙等的研究表明，建筑频率降低在10%以内时建筑物属于基本完好，可正常使用[5]。北幅地墙全部施工完成后建筑1 和建筑2 的频率下降最多为4.5%,仍在安全范围内。施工监测也印证了这点，建筑1 的沉降约2.2mm，建筑2 的沉降约3.1mm，均远低于20mm 的设计报警值。然而地墙成槽后还需要进行基坑开挖与结构回筑，周围建筑基础还会进一步受到影响，因此在后续的施工过程中需要密切监控建筑2 的不均匀沉降和频率变化，必要时还需要对其进行保护。

4 结语

本文以地下连续墙施工对周围建筑物安全的检测为背景，对地墙周边2栋建筑的动力特性进行了分析，对建筑物的安全性进行了快速判断并将检测结果与传统监测手段进行了比较，主要结论如下：

1)结构的动力特性是结构的固有特性，检测方法也不受结构规模和隐蔽的限制,容易量测,且不会在现场留下痕迹和损伤。相较于需安装固定设备以及开槽、开洞的传统检测方法,动力检测方法对居民的干扰小，为建筑安全的快速诊断提供了途径。

2)地下连续墙施工过程会对周围土体产生扰动，从而影响周围建筑的地基刚度。地墙成槽过程中建筑基础刚度遭到破坏，混凝土浇筑过程中基础刚度得到一定的恢复。连续多幅地下连续墙施工会对建筑基础造成累积损坏，需要引起高度重视。

3)在环境高风险地区施工地下连续墙，一旦发生塌孔将对周围建筑物造成较大的影响。因此在施工前应该考虑采取诸如槽壁加固、适当增加泥浆比重、黏度的方法，在保证地墙施工质量的前提下，确保周围建筑物的安全。