2.1建筑结构加固方向研究的必要性与问题点

从国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》以来，推广装配

式建筑，减少建筑垃圾的绿色建筑理念被提上日程。从一些发达国家的发展经验来看，由

大量生产、大量消费的经济型社会转型为为次世代资产蓄积的能源型社会是必经之路。尤

其我国近年环境恶化、PM2.5横行，减少新建带来的负面影响，延长既有建筑的寿命变得

十分重要。所以，从新建以及既有建筑俩方面实行有效的措施，对社会的发展将起到良好

的促进作用。

    既有建筑的抗震安全性问题是世界各国防震减灾中的重要课题，在世界各地地震频发

的大环境下，如何提高既有建筑的抗震性能是各国建筑技术研究者必须面对的课题。为抵

抗震害以及地震带来的二次灾害，多数发达国家制定或者修正了相应建筑法规以备震害的

多样性与不确定性。比如，作为地震多发国家，日本在1950年颁布的《建筑基本法实施令》

中规定了学校教学楼等的抗震性能应高出一般建筑25%。在我国，许多既有建筑建造年代

长远、数量巨大、类型不一，使得研究确定以及提高既有建筑的抗震性能的方法变得困难。

因此，从既有建筑的抗震安全性、经济性、历史保全、环境保护出发，十分必要对既有建

筑的抗震性诊断以及结构加固进行研究。

    建筑结构的加固效果在以往发生的大地震中得到了实证，研究报告称同年代建设的建

筑物，结构加固后较未进行加固的破坏率相对较低。参照2013年东日本大震灾发生后的调

查结果，结构加固后的建筑的受灾程度较未加固建筑有相当大的减轻^[1]。然而，是否进行

过结构加固的建筑都能够满足预期的抗震性能，这一问题在以往的调查研究中并未得到验

证。在建筑结构加固领域，世界范围内存在的问题主要有以下几个方面：（1）既有建筑的

现状抗震性能的把握主要依赖保存的设计资料；（2）长年劣化以及自然灾害带来的抗震性

能的低下评价主要依靠技术者的主观判断；（3）结构加固效果的有效评价方法很少，现阶

段主要基于设计方法进行理论上的判断。

2.2 建筑结构加固效果评价方法的缺失与MEMS技术的发展

综上所述，如何建立有效的抗震加固效果评价方法，是提高抗震加固实施率以及加快

既有建筑加固发展的重要课题。尤其是结构加固工程的施工精度，设计手法的正确性，加

固工程的特殊性导致的人为干扰因素。2005年日本发生了轰动一时的抗震伪装事件，引

来社会对技术者姐齿建筑士的批判，然而，站在研究者的角度，现行技术手法的不完善，

以人为判断为最终评价标准的滞后性值得反思^[2]。另一方面，国内外关于结构加固效果评

价手法以及加固方法适用性的研究资料很少，几乎并未建立起系统的评价方法。因此，既

有建筑结构加固效果的可信性受到很大的制约。

    既有建筑的结构加固，既要把握其现状的劣化状况（裂缝的发生，钢筋露出或者腐蚀，

不同沉降），也要立足于将来的使用状况。如何建立有效、客观的结构加固效果评价方法对

建筑结构加固将起到极大的推动作用。近年，建筑结构健康监测（Structural Health

Monitoring）成为世界土木工程领域的研究前沿，其中微机电技术的急速发展极大推动了土

木工程健康监测的进步^[3]-[9]。其中尤以MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）等技术得

到科研工作者的特别关注^[10]-[11]。然而相对于道桥结构，建筑结构的健康监测比较滞后，科

研工作者主要面临着以下的几个课题：

（1）建筑结构形式的复杂多样性导致了研究成果的个体化，难以形成有效适用的研究

方法。

（2）建筑结构的荷载特性，布局复杂性导致了监测手段的选择面窄。

（3）相关领域有经验的专家人数很少^[12]，即使能够成功测定到所需振动信号，但对于

如何从取得的信号中提取有效信息用于解释结构的安全状况却并未建立起完善的科学理

论。

因此，虽然建筑结构的健康监测是国内外的研究热点，但是国内外的研究成果主要集

中在单体建筑的个例中，几乎很少提出通用手法应用于实践。近年，许多研究者专注于利

用建筑结构加固前后的微动特性对建筑结构加固效果进行评价的研究，但是，评价指标大

多建立在比较结构加固前后的固定周期以及阻尼变化。日本东北工业大学的阿部研究组在

早期提出了以各下层为入力层，上层为振动系的研究手法提取各振动系的固有周期（如式

1），并利用固有值逆解析方法计算出各层刚度对建筑结构效果进行评价。该方法是为数不

多的系统的提出了建筑结构加固效果评价新手法，然而自早期该指针（案）^[13]在一定范围

实行以来，并未形成很大影响并取得发展。究其原因，一是使用常时微动测定数据进行振

动体系分离，由于上层应答差别较小，振动系的固有周期提取十分困难；二是，固有值逆

解析使得上层振动系的误差向下逐步累加蓄积，导致得到的层刚度与设计值有很大误差。

                                         （式1）

2.3 微动特性在校舍建筑结构加固中的应用研究

建筑物结构抗震性评价问题的研究是一个多目标的系统工程，宜分阶段分领域逐步加

以实施。本次申请选择既有建筑加固效果的评价以及标准的建立作为研究内容为切入点，

为将来的一般建筑结构健康评价研究提供基础。既有建筑多以中低层为主，其破坏形式多

发生于弹性领域，且考虑到地震发生时非构造构件或家具的过大变形带来的次生灾害，既

有建筑的结构加固以提高刚度方式（见图1）占很大比例。因此，利用微动特性对既有建

筑的结构加固效果进行评价的研究方法，具有可行性。

图1 建筑结构加固的一般方法

本次申请选择利用微动特性对既有建筑结构加固效果进行评价的研究课题进行重点攻

关，是建立在已有的研究成果的基础上。从2012年开始，在日本国东广岛市的资助下，对

东广岛市内的既有建筑的各个单体的微动特性进行测定并分析研究；随后，联合建筑结构

设计单位着重对结构加固前后的建筑进行分类研究。经过多年的研究工作，采取理论分析、

实验室论证、数值解析以及实际振动测定的研究方法，从微动测试系统的准确性到周期以

及层间变形量等分析方法的妥当性、从测定方法到抗震性设计方法、从定性分析到定量计

算等，围绕建筑结构加固效果与加固方法的适用性进行了较为系统、周密的基础工作。在

理论分析方面，就既有建筑的破坏形式采用只考虑竖向承重构件的设计诊断法和考虑梁破

坏的拟立体解析手法进行比较分析研究；并建立单质点动力模型与多质点动力模型，就既

有建筑的振动特性进行理论研究。在试验研究方面，就产学研共同研究开发（日本国立广

岛大学）的无线振动测定系统的正确性以及利用微动测定取得的加速度反应谱推算层间变

形方法的可靠性，在实验室建立模型进行验证并修正研究方法；在此基础上，对实际的结

构加固前后的既有建筑进行实地实验，采集数据展开研究。通过以上的一系列基础研究，

最终确立了振动测定以及信息变换方法，得出了研究对象的既有建筑的破坏形式以墙柱竖

向承重构件为主，提出了既有建筑结构加固效果的定性分析方法，并引入了利用微动

特性的定量计算概念。

本次申请项目将在上述研究基础上，通过既有建筑结构加固前后的一阶振型应答变化

完善定性分析方法；结合微动测定数据分析与模型解析建立实测层刚性计算手法，并最终

确立既有建筑结构加固的定量评价方法；基于以上的研究成果撰写建筑结构加固效果评估

方法的参考标准。本次申请项目的研究意义与价值主要体现在：进一步延伸与扩展了定性

评价方法，在实际工程中可使工程人员以及建筑管理人员简单明了掌握加固设计与施工效

果；以实测层刚度为主要参考指标的定量计算研究可为既有建筑的加固效果提供相对精确

的检测指标，为结构加固工程监理，加固设计的可靠性，建筑物的动态监控提供可靠的理

论基础；最终为绿色建筑的发展提供有力的技术支撑。

参考文献

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[13] 日本建筑研究振兴协会，利用常时微动对既存建筑物的抗震加固效果确认指针（案）

同解说，1997

3.1 项目创新点

（1）本项目研究拟对既有结构加固中的效果评价进行攻关，提出客观、有效、系统的

评估方法，减弱人为判断比重，让建筑自身来“说话” ；

（2）本项目研究成果既考虑建筑的使用与管理者（定性评估方法），又立足于服务工

程技术人员（定量评估方法），提出符合实际的研究方法，并为加固规范等提供一定参考；

（3）本项目基于国外研究基础，并对原有成果进行创新，有较好的学术梯队，有利于

研究成果的深化与国际化交流。

3.2 项目研究内容与目标

基于本项目的研究目的、国内外研究现状分析，本次申请本着以基础性研究为主，从

应用着眼的思想，选择理论分析与现场工程试验分析相结合的实验方法，建立理论分析与

微动检测结果的联系关系，开展符合实际情况的建筑结构加固效果评价方法研究，为既有

建筑的结构加固方法的选择与加固效果的评估提供理论依据。

具体来说，选择以下研究内容开展工作，这些内容既有重要的科学价值，使我国的既

有建筑结构加固研究成果进一步得到充实，又具有重要的实用价值和应用前景，将研究成。

果及时应用到工程实践中。

主要研究内容与研究目标：

（1）开展常时微动环境作用下，建筑物振动特性值的提取方法研究，尤其是考虑建筑

加固前后振动环境变化对研究结果的影响。

采用固定基准点的测定方法，选择加固前后受常时微动变化影响较小的测定位置为基

准点计算测定数据换算值解决测定环境的影响因素。加固前后在建筑物各层同一位置设置

无线加速度传感器同期测定。在实验室建立模型，开展常时微动环境下建筑物层间变形分

析的研究方法。在已有自由振动比较分析实验研究基础上就无线加速度测定系统的层间变

形计算方法进行修正与改善。采用Iwan法和带通滤波器相结合的分析方法回避由加速度波

形积分时带来的偏离基线以及噪音增大问题。但是，适合常时微动环境下的带通滤波器的

选取范围将作为本研究的研究内容之一。通过以上对无线测定方法与实验数据分析方法的

研究，为微动环境下振动测定积累基础数据；建立室内与室外对应关系，为进一步对实测

既有建筑结构加固评估方法的研究提供参考，奠定基础。

（2）改进以一阶振型应答为评估指标的定性评估方法。

多层建筑的振动模型简约成单质点振动模型的评估手法被许多研究者普遍采用。即使

考虑高阶振型的影响，一般也把多层建筑的弹塑性时的振型等价于弹性状态时的振型进行

分析。在已提出的以一阶振型时应答变化为指标的研究成果上（如图2，2011年-2016年

国立日本广岛大学研究成果），引入评估参数，由大小变化的感性判断扩展为感性判断与数

据支撑相结合的定性评估方法。为实际结构加固工程提供有力的参考依据，也为后续定量

评估方法的延续奠定基础。

（a）竖向方向的变化                   （b）水平方向的变化

图2 结构加固前后一阶振型变化

（3）以结构分析数据为依据确立系统的结构加固效果定量评估方法的（本课题研究的

重点之一）。

关于结构加固效果定性评价方法有几种类型，但是以定量计算为依据的评估方法的研

究几乎很少。因此，结合加固设计分析开发定量评估方法变得十分迫切，对促进建筑加固

工程具有深远意义。本课题提出了以无线振动测试系统为主要工具对加固前后的既有建筑

进行常时微动测定，然后利用常时微动环境下振动特性分析方法提取必要数据。通过得到

的应答和变形关系推算层刚性，并将所得结果与所建建筑结构分析模型进行对比分析，进

一步修正与完善定量评估方法的合理性与有效性；并结合典型加固工程进行示范，将所建

结构加固模型与提出的加固效果评估方法等研究成果进行推广应用。

（4）积累研究数据，建立加固效果客观评估参考标准。

关于结构加固效果评价的研究成果国内外很少见，因加固方法的多样性与建筑结构的

复杂性，很难在各个加固工程中提取出共性作为研究突破口。本研究在积累研究数据的基

础上制定参考标准并逐步完善。

3.3 项目实施方案与技术路线

本项目研究将建立在已有资料，国外试验数据基础上（结构加固效果评估的研究在日

本有一定的成果，加之申请者在国外积累的研究数据），将注重国内外有关资料的收集和综

合分析，对一些容易产生人为主观判断，结构加固工程中亟待解决的结构加固效果评估问

题进行攻关。本项目的研究拟采取理论与实践相结合，计算机模拟分析与现场振动测定相

结合的方式，课题组成员按照“分工明确、重点攻关、共同协作, ”的宗旨开展工作。

本项目研究采取的技术路线如下图3所示。

图3 项目研究技术路线

具体研究方案为：

（1）在微动测定方法与测定数据分析方面，建立室内模型试验模型进行模拟试验，结

合其它的试验方法（比如位移实测法）与计算机模拟计算结构，得出适合建筑结构加固前

后微动测定方法与基准点选择，测定数据分析方法等，相关内容是本次申报的研究课题的

基础；

（2）在室内模型验证试验结果的基础上，应用常时微动测试方法对选取的建筑结构加

固工程进行现场测试。在已提出的定性评估方面，引入应答变化参数对已有方法进行改进。

定量评估方法方面，确立适合既有建筑抗震性评估的结构计算方法，以计算结果为依据，

采用对比分析方法，对由振动测定试验得出的结果进行修正，逐步减小误差，从而得出系

统的既有建筑结构加固效果评估方法。相关内容是本次申报的研究重点。

（3）基于所得研究成果，积累试验模型与数据，制定加固效果评估的参考规范并逐步完善指导实践。

总之，通过对已有相近课题研究成果的综合分析，结合工程实践与规范，找出既有建

筑结构加固工程中关于加固效果评价方面迫切需要解决的关键点和突破点，然后综合考虑

解决问题点的方法，建立相关的试验模型与结构计算模型；主要利用无线振动测试系统的

实测结果，通过对比所建模型和结构计算分析数据结果，得出满意的研究成果并及时应用

于工程实践。

参加本项目的相关人员在结构加固、无线振动测试系统的开发与应用、材料试验、计

算机模拟分析方面都有较深的理论与实践基础，沿着上述路线进行一定能取得预期的成果。

    本项目自主研发为主，定期与日本国立广岛大学进行课题的研究交流。

参加本项目的申请者及参加者，以往在建筑结构加固的基础理论与应用研究方面取得

了不少成果。尤其是申请者从参加结构加固工作（2006到2011年）以及加固方面的研究

（2011到2016年）以来，经过在主持大量的建筑结构加固设计工作，为开展既有建筑结构

加固研究方面积累不少实际工程经验。申请者与参加者（日本侧）从无线振动测试系统的

开发、验证、实际工程应用方面开展了一系列系统研究。并在日本国东广岛市政府的协力、

多家设计施工单位的合作研究下对东广岛市的校舍建筑进行微动测定试验，提出了关于测

定方法、数据分析方法、尤其是在建筑物抗震性评估方面的成果，积累了一定试验研究与

理论分析的基本数据与经验。在日本建筑与混凝土期刊发表期刊论文5篇，国际会议论文3 

篇，一般会议等收录20余篇。所有的这些研究工作的积累为本课题的开展与深入打下了良

好的基础。本项目研究人员，中青年结合，国内外联合，组成了一支配合很好的学术梯队。

郑州航空工业管理学院拥有一个土木工程试验中心、一个郑州市桥梁安全检测技术重

点实验室，室内试验所需条件与振动检测设备比较齐全。

本项目的现场微动测试试验所用测定系统与解析软件将使用日本广岛大学建筑材料学

研究室产学研开发的RSNETWORK系统。但是缺少的是适用于微动测试的少量加速度传感器， 

这些是本研究必须申请购置的仪器设备。

本项目的申请者单位与参加者单位，都具有良好的计算条件。

（1）本专项提出的研究课题，基于经济以及环境角度出发，涉及无线传感技术以及建筑结

构抗震性分析等方面。经过2年的科技攻关形成的研究成果，将成为提升既有建筑加固工

程信任度的重要依据，为加快提升既有建筑抗震性提供一定支撑。而且，本项目成果将为

工程设计、施工以及监理人员提供参考依据。

（2）通过本项目研究可培养一批重要的技术骨干，在将来成为结构健康性分析以及结构加

固方面的中坚力量。而且，本项目研究成果具有相当可观的核心竞争力，为后续与企业的

合作打下坚实基础。

（3）本研究的最大出发点是基于保护环境以及一定程度的保存建筑的历史文化气息，该

成果的建立将为既有建筑的长寿命化提供依据，为绿色建筑的发展做出一定贡献。

2018.1至2018.12查阅国内外相关资料、确定研究方案与进度计划、明确人员分工。建立实验模型完成微动试验方法、数据分析方法的验证；同时对选定研究对象的建筑破坏

机理进行调查研究，选定现场试验研究对象。在室内验证实验的基础上，使用无线振动测

试系统对选定的对象校舍进行常时微动测定试验。

2019.1至2019.12对测定数据进行分析计算，并参考结构计算结果对测定结果的实际

值进行修正，改进实验分析方法、完善计算理论、优化分析方法。最终建立利用微动特性

对校舍结构加固效果评估的系统方法。综合以上试验分析结果，提出既有结构加固效果评

估的实用方法，撰写研究成果论文，完成课题小结，准备验收。