高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤红外探测技术

武艺锋

中交建筑集团有限公司 北京100022

引言

在使用高层框架剪力墙基础的隔震结构的过程中，会遭遇地震、台风、爆炸、洪水等各种突发事件［1］。由于各种载荷和突发事件的影响，对高层框架剪力墙基础隔震结构造成了不同程度的损伤。高层框架剪力墙基础隔震结构的损伤累积，使其强度和抗荷能力逐渐下降，导致高层框架剪力墙基础隔震结构的安全性、适用性和耐用性无法满足设计的需要。在部分极端的条件下，高层框架剪力墙基础隔震结构会出现局部或整体的损伤。在高层框架剪力墙基础隔震结构施工中，及时发现基础隔震结构在使用中所产生的损伤，对其进行红外探测，能预防施工安全，并提升高层框架剪力墙使用寿命。

王晓航等［2］基于传热学理论，利用红外热成像检测技术对钢板组合剪力墙界面脱空问题进行了研究，采用主动式热激励和被动式热激励加热两种方式识别钢板组合剪力墙界面脱空的缺陷位置和尺寸，得出合理控制热激励功率和时间可以有效减小缺陷尺寸识别的误差率，便于在浇筑混凝土时进行实时跟踪检测，但该方法主要针对脱空现象，对整体结构的识别略有不足。许颖等［3］提出基于光学激发线激光热源的红外热成像法对特定加固混凝土的剥离检测方法，通过控制线热束在混凝土结构的表面形成移动扫描热激励，通过红外热像仪测量结构中的界面剥离引起的表面局部热分布异常，但该方法应用范围受限。郑泓等［4］利用马尔科夫链建立了状态转移矢量自回归模型（MSVAR），提出一种基于MSVAR模型的非线性损伤探测方法。自回归模型的状态平滑概率可以反映出损伤数据的非线性变化，以信息熵作为损伤预警指标来检测结构的损伤状况，在模型的自回归系数中引入了结构损伤的位置，从而建立了损伤位置的损伤矢量，判断裂缝的位置，并利用裂缝位置的层间位移来描述裂缝的宽度，采用数值模拟的方式发现该方法具有一定的有效性，但是探测精度较低；杨骁等［5］提出了基于裂纹附加模态函数的探测技术，采用最小二乘拟合法，对裂缝的特征进行了辨识。利用两个实例对裂缝损伤参数进行了分析，结果表明该方法是可行的、可靠的。研究发现，裂缝位置的识别比等效弹性刚度的识别准确率要高，裂缝识别的结果对后面的裂缝识别效果有较大的影响，但是在实际应用中，裂缝损伤判别方法是可行的。

基于以上研究背景，本文针对高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程设计一种工程损伤红外探测技术，构建基础隔震结构施工工程损伤概率需求模型，完成基础隔震结构施工工程的易损性分析；修正基础隔震结构损伤指标，利用基础隔震结构损伤的红外判定指标，结合基础隔震结构施工工程损伤红外探测算法设计，红外判定基础隔震结构施工工程损伤位置，从而保证高层框架剪力墙基础隔震结构的稳定性。

1 工程损伤红外探测技术设计

1.1 分析基础隔震结构施工工程的易损性

根据墙体损伤的特点，可以分为以下四类：

（1）开裂损伤：墙体中部区域表面出现长条形裂缝，缺陷地区先出现裂纹，形成微孔，进一步塑性变形时，微孔长大、聚集，直至开裂。

（2）老化损伤：材料在物理或化学作用下产生不良反应，表现出干缩变形、腐蚀、易振等特点。

（3）病害损伤：墙体出现脱空、脱落、滑移、沉降等。

（4）断裂损伤：在压力作用下，表面产生的应力超过材料的强度极限而发生显著的宏观塑性变形的断裂，是一个缓慢的断裂过程，塑性变形与裂纹成长同时进行。

基础隔震结构施工工程的易损性分析中［6］，基于基础隔震结构的等效重力荷载、结构位移、应变、自振周期、高宽比限值等物理参数，首先建立基础隔震结构施工工程损伤概率需求模型。

式中：ξ表示损伤参数均值的回归系数；γ 表示损伤强度的回归系数。

为了进一步分析出基础隔震结构施工工程损伤情况，对公式（1）的两侧取对数，构建基础隔震结构施工工程损伤概率需求模型，表示为：

式中：α和β表示基础隔震结构施工工程损伤指标的回归分析结果。

基础隔震结构能力的概率函数用对数正态分布函数表示［7］，此函数由损伤强度指标对数均值和对数标准差表示，即：

基础隔震结构需求的概率函数用对数正态分布函数表示，此函数由基础隔震结构损伤指标对数均值和对数标准差表示［8］，即：

基础隔震结构施工工程的易损性曲线，表示不同的损伤强度下基础隔震结构损伤指标超过结构抗倒塌能力的超越概率。基础隔震结构需求F超过结构抗倒塌能力E的超越概率可根据下式计算：

设基础隔震结构需求参数和能力参数的均值都服从对数正态分布，基础隔震结构的失效概率为：

式中：Ω为标准正态分布函数。

结合公式（6）分析基础隔震结构施工工程的易损性。

1.2 红外判定基础隔震结构施工工程损伤位置

根据基础隔震结构体系的力学模型，即可计算出施加给基础隔震结构的荷载，得到理论计算的位移、应变等参数。由此，采用红外探测算法，反复确认基础隔震结构损伤的红外参数，即确定一个衡量基础隔震结构施工工程损伤的红外定位指标，设基础隔震结构损伤灵敏度因子δij以及基础隔震结构损伤程度修正因子κij［9］：

式中：n为基础隔震结构的单元总数；δij为基础隔震结构损伤灵敏度因子，它一般情况下在nδij＞5%时具有较高的灵敏度。因为即使i阶模态下j单元发生损伤，但在nδij≤5%的情况下，也可能发生误判［10］。为了避免误判的发生，令在nδij≤5%的情况下，损伤红外定位指标＝1。

为了消除由于低应变能引起的测量噪音和数值计算误差对基础隔震结构j单元损伤指标的误判，对基础隔震结构损伤指进行修正［12］，得到：

式中：m为最后采用的计算模态数。

1.3 基础隔震结构施工工程损伤红外探测

基础隔震结构损伤的红外探测具体步骤如下：

（1）选择待探测的基础隔震结构参数。被探测的红外参数可以是组成基础隔震结构单元刚度的任意参数，但需要考虑红外参数相互耦合的情况。若只有一个参数是相互耦合的，而另一个参数与其联系不紧密，则需要单独处理。

（2）确定红外探测所需的量测信息。利用红外探测器收集基础隔震结构损伤的红外辐射信号，建立每个探测点对红外探测参数的灵敏度模型，找出严重影响红外探测参数的探测点［14］。

（3）根据基础隔震结构损伤表面的红外辐射温度变化，建立基础隔震结构静态反应的残差矩阵，表示为：

式中：u为基础隔震结构体系力学模型的节点位移阵；ε为基础隔震结构体系力学模型的节点应变；W-1（s）为损伤刚度矩阵；s为红外探测参数集；B为应变位移的关系矩阵；G为损伤荷载矩阵；m为红外探测的测量值。

对公式（11）进行收尾相接，得到残差列阵eu及eε，确定基础隔震结构的静态残差矩阵，即：

（4）对于基础隔震结构静态残差，建立红外探测参数的灵敏度矩阵：

按照列竖向尾首相接的方式，通过公式（12）得到基础隔震结构的位移残差灵敏度矩阵Su和Ss，确定基础隔震结构的静态反应残差对红外探测参数的灵敏度矩阵：

（5）通过定义基础隔震结构施工工程损伤红外探测的目标函数［15］，设计了基础隔震结构施工工程损伤红外探测算法，即：

根据公式（12）、公式（13）和公式（14），可以计算出基础隔震结构工程损伤待探测参数的最优解，从而实现基础隔震结构施工工程损伤的红外探测。

2 实例分析

2.1 工程概况及隔震设计

本文采用基础隔震分部设计法和基础隔震直接设计法建立高层框架剪力墙基础隔震结构体系七层隔震框架结构模型。将该工程抗震设防烈度设置为6 度，基本地震加速度为0.1g，施工场地的类别属于Ⅲ类，损伤特征的周期为0.5s，高层框架剪力墙的基本风压为0.50kN／m2。高层框架剪力墙方向跨度为9.5m，框架方向跨度为7.5m。基础隔震结构的地下负一层为隔震层，层高为2.5m。基础隔震结构地上七层的总高度为22.5m，高宽比为1.5。基础隔震框架结构一共布置了13个LRB500、8个LRB600、2个LNR600和2 个LNR700 的橡胶隔震支座。高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程的现场如图1 所示。

图1 基础隔震结构施工工程现场Fig.1 Construction site of foundation isolation structure

在高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程中，橡胶隔震支座的性能参数如表1 所示。

表1 橡胶隔震支座的性能参数Tab.1 Performance parameters of rubber isolation bearings

2.2 模拟高层框架剪力墙的基础隔震支座单元

隔震支座是隔震结构中的重要装置，一般具有一定的承载性、隔震性、复位性和阻尼消能性。本文选择天然橡胶支座对高层框架剪力墙的基础隔震支座单元进行模拟。

天然橡胶支架是用多层薄板与薄板堆叠并经硫化粘接而成的。在承受轴向压力的情况下，橡胶层的横向变形由钢板控制，增加了垂直刚度，从而保证了支撑的垂直承载能力。在水平力的作用下，橡胶层在水平方向上发生了很大的横向位移。因此，橡胶支架可以同时承受垂直和横向的载荷。其剪力-位移滞回曲线如图2所示。

图2 剪力-位移滞回曲线Fig.2 Shear displacement hysteresis curve

根据天然橡胶支架的剪力-位移滞回曲线，得到基础隔震结构的力与位移的关系：

式中：Pw为支座的初始刚度；dy为屈服位移；qd为屈服力；Py为屈服后刚度。

整体测试步骤如下：

（1）用基础隔震结构的力与位移的关系，模拟高层框架剪力墙的基础隔震支座单元。

（2）采用simulation 软件模拟红外探测结果，基于高层框架剪力墙的基础隔震支座单元模拟结果，利用文中红外探测技术对高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤进行红外探测。

（3）引入基于MSVAR 模型的探测技术和基于裂纹附加模态的探测技术作对比，根据不同的基础隔震结构施工工程损伤类型，测试了基础隔震结构施工工程损伤的红外探测精度。

2.3 结果分析

红外探测结果如图3 所示。从图3 可以看出，采用文中红外探测技术对高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤进行红外探测时，能够较为容易地探测到高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤，损伤处为白框标识之处，且能够呈现整体结构的稳定性，具有较强的应用性。

图3 红外探测结果Fig.3 Infrared detection results

由位置传感器及其信号调理电路采集损伤位置信号，和位置命令信号比较后，计算红外探测精度，计算公式为：

式中：n为基础隔震结构的数量。

根据不同的基础隔震结构施工工程损伤类型，将红外探测技术与文献［4］基于MSVAR 模型的探测技术、文献［5］基于裂纹附加模态的探测技术进行对比，对比结果如图4 所示。

图4 基础隔震结构施工工程损伤的红外探测精度Fig.4 Infrared detection accuracy of damage in construction projects of basic isolation structures

根据图4 的结果可知，针对不同的基础隔震结构施工工程损伤类型，红外探测精度也是不同的，采用基于MSVAR 模型的探测技术和基于裂纹附加模态的探测技术时，红外探测精度在80%以下，而采用该技术探测基础隔震结构施工工程损伤时，红外探测精度可以达到90%以上，具有更好的探测性能。这是因为本文方法具体分析了基础隔震结构施工工程的易损性，根据基础隔震结构体系的力学模型，计算施加给基础隔震结构的荷载，得到理论计算的位移、应变等参数，并采用红外探测算法对基础隔震结构损伤的红外参数进行反复确认，确定一个衡量基础隔震结构施工工程损伤的红外定位指标，最终设计结合基础隔震结构施工工程损伤红外探测算法，实现了高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤的探测。

3 结语

红外探测技术实现了高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤的高精度探测，能够较为容易地探测到高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤，且能够呈现整体结构的稳定性，具有较强的实际应用性。

在今后的研究中，希望可以利用有限元分析法对基础隔震结构进行有限元分析，提高基础隔震结构施工工程损伤的红外探测性能。