[发明专利]一种历史建筑结构性能劣化的无损评价方法

说明书

本发明属于历史建筑结构性能劣化评价相关技术领域，其公开了一种历史建筑结构性能劣化的无损评价方法，方法包括：通过有限元模型和环境振动测试获得历史建筑的实验频率和实验振型，通过构建历史建筑的实体线模型获得其节点坐标和索引号，进而通过节点坐标和索引号实现刚度矩阵和质量矩阵的计算，基于刚度矩阵和质量矩阵建立并求解结构动力学方程组获得目标计算频率和目标计算振型，而后构建以实验频率、实验振型、目标计算频率和目标计算振型为参数的目标函数，通过使目标函数最小获得目标杨氏模量，依据所述目标杨氏的大小即可判断所述对应计算单元的损伤程度。本申请可以依据杨氏模量大小直观的表征历史建筑梁和柱的损伤程度。

技术领域

本发明属于历史建筑结构性能劣化评价相关技术领域，更具体地，涉及一种历史建筑结构性能劣化的无损评价方法。

背景技术

历史建筑反映着城市的时代变迁过程，是城市历史文化的缩影，赓续着历史文脉，在目前城市更新的大环境下，对历史建筑的重视程度越来越高，但由于历史建筑建造年代久远，使用和保护不当，加上缺乏专项维护，加速了历史建筑的结构性能的劣化，对历史建筑开展专项保育措施促进其再利用成为对历史建筑进行有效保护的一种办法。在历史建筑保护和更新全过程中，需要在修缮更新前对建筑结构性能进行检测和评估以支持加固设计，在修缮更新过程中对建筑结构进行监测，保证施工安全；在修缮更新完成后对建筑进行长期监测，一旦发现结构性能的劣化需要及时采取维护措施。现有技术中都是通过人工进行定期检测，比如通过全站仪测量建筑的倾斜状况，通过钻芯和剔凿评估建筑结构的劣化碳化情况，这些措施一方面不能对建筑进行及时检测，另一方面会对建筑结构造成损伤破坏。传统的有损检测方式(钻芯、剔凿、开挖等)不再适用于对历史建筑的结构进行检测，现有的无损检测方式(如红外摄影、雷达波、声波、激光点云扫描等)也不能够快速全面的评估建筑的整体的病害分布和损伤状况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种历史建筑结构性能劣化的无损评价方法，可以依据杨氏模量大小直观的表征历史建筑梁和柱的损伤程度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种历史建筑结构性能劣化的无损评价方法，所述方法包括：S1：建立历史建筑的有限元模型并对所述有限元模型进行动力学分析得到前预设阶数模态下的历史建筑的频率和振型；S2：在所述历史建筑的柱子和梁交汇处的地板上设置加速度传感器并对所述历史建筑进行环境振动测试，以得到所述历史建筑不同位置节点处在外界环境振动干扰下的加速度、速度和位移；S3：基于所述加速度、速度和位移获得初步实验模态的频率和振型，将所述初步实验模态的频率和振型与步骤S1中的频率和振型进行比对，将振型和频率误差小于20％的设置为实验频率和实验振型；S4：构建所述历史建筑的3D实体线模型，以将所述历史建筑的梁、柱离散为独立的计算单元，将所述3D实体线模型中节点坐标、杆单元起止点索引号导出；S5：基于所述节点坐标和索引号构建所述计算单元的刚度矩阵和质量矩阵；S6：基于所有计算单元的刚度矩阵和质量矩阵构建结构动力学方程组，所述动力学方程组的特征值即为计算频率，所述特征值对应的特征向量为计算振型；S7：以所述实验频率为基准，在所述计算频率中提取与所述实验频率最接近的频率值的目标计算频率，并提取对应的目标计算振型；S8：求取实验振型与目标计算振型的MAC值，以所述MAC值为参数并以实验频率和目标计算频率的整体偏差最小为目标构建目标函数；S9：采用粒子群优化算法对结构动力学方程组中的杨氏模量进行更新以使所述目标函数最小，并将对应的目标杨氏模量导出，依据所述目标杨氏的大小判断所述对应计算单元的损伤程度。

优选地，步骤S3中，基于所述加速度、速度和位移获得初步实验模态的频率和振型具体为：S31：将所述加速度、速度和位移输入Artemis Model Pro软件分别进行增强频域分解和随机子空间模态分析，得到两个模态分析结果；S32：对两个模态分析结果进行MAC值计算，选择MAC值大于80％的模态确定最终的初步实验模态。

优选地，步骤S5还包括剔除刚度矩阵和质量矩阵中节点自由度为0时对应的行和列。