某鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的動力特性試驗

□□ 高艷斌(太原太工天昊土木工程檢測有限公司，山西 太原030024)

摘要：建筑裝潢會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主體隱蔽，同時也使得結(jié)構(gòu)缺陷以及損傷處于隱蔽、不可見狀態(tài)。為判定結(jié)構(gòu)的工作狀況，可采用動力特性試驗的方法對結(jié)構(gòu)的整體工作性能進行研究。以某鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)為研究對象，采用脈動法對結(jié)構(gòu)進行了動力特性試驗，并建立有限元模型進行計算和比較分析，對結(jié)構(gòu)的工作狀況作出了評價。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；框架-核心筒結(jié)構(gòu)；脈動法；有限元；頻率；振型

文章編號：1009-9441(2015)02-0004-05

中圖分類號：TU 528.571

文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：Building decoration can cause structure body hidden，at the same time also makes the structure defects and damage hidden and invisible.To determine the working condition of structure，the dynamic characteristics test method can be used to study the overall work performance of the structure.With a reinforced concrete frame - core tube structure as the research object，the pulsating method is adopted for structure dynamic characteristic test，and to establish the finite element model to calculate and make a comparative analysis，and the working condition of the structure is evaluated.

作者簡介：高艷斌(1988-)，男，山西臨縣人，2011年7月畢業(yè)于太原理工大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，從事公路市政工程、結(jié)構(gòu)主體、鋼結(jié)構(gòu)外檢工作。

收稿日期：2014-12-14

引言

建筑結(jié)構(gòu)的動力特性是結(jié)構(gòu)自身固有的特性，基本參數(shù)包括建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率(或周期)、振型與阻尼比，建筑結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)可為結(jié)構(gòu)的整體安全性能評估及損傷識別提供重要依據(jù)。動力特性的測試方法包括激振法、自由振動法與脈動法，本次試驗采用脈動法對結(jié)構(gòu)的動力特性進行測試。建筑結(jié)構(gòu)的脈動是一種很微小的振動，包括來自地殼的微小運動，地面車輛、機械運動導(dǎo)致的地面擾動引起的建筑物振動和風(fēng)等自然因素引起的建筑物振動。脈動法主要是通過合理布置傳感器拾取結(jié)構(gòu)的脈動響應(yīng)，經(jīng)分析得到其動力特性參數(shù)。采用脈動法測試結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)不利用任何激振設(shè)備，對建筑結(jié)構(gòu)無損傷，不受結(jié)構(gòu)隱蔽部位的影響，并且不會影響到結(jié)構(gòu)的正常工作運行。

1工程背景

某工程項目地下2層、地上35層，建筑總高度為130.98 m，其結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，該結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度，抗震等級為特一級[1]。為研究該結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的抗震性能，采用脈動法對結(jié)構(gòu)的動力特性進行測試，同時根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、混凝土強度，采用有限元軟件ANSYS對建筑物進行模型建立以及計算，并與測試結(jié)果比較，進而對結(jié)構(gòu)的工作狀況進行評價。

2試驗原理

采用脈動法測試結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)，應(yīng)首先把待測結(jié)構(gòu)當(dāng)做一個多自由度的系統(tǒng)。對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)的脈動響應(yīng)信號是由兩個激勵源引起的，一是由地殼微小運動及機器車輛引起的地面擾動，二為風(fēng)致振動，兩個激勵源引起的振動均是隨機振動。脈動法測試所記錄的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)對于這些隨機輸入的響應(yīng)，再通過輸出響應(yīng)譜及譜峰值求得結(jié)構(gòu)物的固有頻率。對于振型，使用相對測點之間傳遞函數(shù)的幅值與相位來近似地確定。

在進行脈動試驗及其數(shù)據(jù)分析時，可作以下3條假設(shè)[2]：

(1)建筑物的脈動是一種各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程，其主要特征與時間起點的選擇關(guān)系不大，并且因建筑物本身擁有動力特性的影響(建筑物如同一個濾波器)，所以采集到的建筑物脈動是一種隨機平穩(wěn)的過程。故當(dāng)單次采集建筑脈動的記錄時間足夠長，可用單個樣本的特性來描述這個過程的所有樣本的平均特性。為了保證隨機信號數(shù)據(jù)處理有一定的統(tǒng)計精度，單個樣本脈動試驗需要的記錄時間不得少于1 800 s。

(2)對于多自由度體系，多個激振輸入時，在共振頻率附近所測得的物理坐標(biāo)的位移幅值，可以近似地認(rèn)為就是純模態(tài)的振型幅值。對于多自由度體系，各階固有頻率見(1)式：

(1)

各階固有頻率在阻尼比較小的情況下，通過采集數(shù)據(jù)計算的頻率屬于(2)式范圍內(nèi)的均可認(rèn)為是其第i階固有頻率。

(2)

在這一共振頻率附近所測得的信號，可以近似地認(rèn)為與其主振型成比例，而忽略其他振型的影響，這樣就可以采用峰值來確定結(jié)構(gòu)物各階頻率和振型。

(3)假設(shè)脈動源的頻譜是比較平坦的，可以把它近似為有限帶寬白噪聲，也即脈動源的傅里葉譜或者功率譜是一個常數(shù)。根據(jù)這一假設(shè)，輸入譜在(2)式頻率范圍內(nèi)，F(xiàn)i(ω)為常數(shù)，此處Fi為相應(yīng)的廣義力，該處頻率帶范圍內(nèi)輸入譜將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生共振，輸出的頻譜就是結(jié)構(gòu)物的動力特性響應(yīng)。

實際上，多自由度體系的響應(yīng)是由自然因素激勵引起的響應(yīng)和基礎(chǔ)擾動激勵引起的響應(yīng)合成的，其中基礎(chǔ)運動的響應(yīng)又包含剛體位移部分和彈性位移部分。一般來講，剛體位移部分很難從響應(yīng)中去掉，所以采用互譜與自譜之比來近似確定振型。

當(dāng)輸入譜屬于(2)式范圍時，認(rèn)為結(jié)構(gòu)響應(yīng)為單一振型，其他振型的影響可以忽略。但是，真實的結(jié)構(gòu)輸出響應(yīng)包含了剛體位移，它的存在不僅引起了幅值誤差，還將導(dǎo)致相位誤差。所以，采用互譜與自譜之比確定振型，對于阻尼比較小、頻率差異性較大、離開節(jié)點有一定距離的測點效果較好，而建筑物阻尼比一般較小，前幾階頻率差異性較大，能夠符合這些條件。因此，采用該方法在確定建筑結(jié)構(gòu)前幾階振型上能得到比較好的效果[3]。

3現(xiàn)場測試

現(xiàn)場對該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行動力測試，獲取結(jié)構(gòu)的水平橫向和縱向各階自振頻率與振型，現(xiàn)場將結(jié)構(gòu)每一樓層作為一個集中質(zhì)點來考慮，在每一樓層的形心位置布置測點[4]，安裝傳感器。測試系統(tǒng)見圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)示意圖

4測試結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測試采集的數(shù)據(jù)，采用DASPV10分析處理得到鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)水平橫及縱方向振型對應(yīng)的頻率與阻尼比(見表1)。水平橫向1～3階振型如圖2至圖4所示，水平縱向1～3階振型如圖5至圖7所示。

表1　結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼的實測值

圖2　結(jié)構(gòu)水平橫向第1階振型

圖3　結(jié)構(gòu)水平橫向第2階振型

圖4　結(jié)構(gòu)水平橫向第3階振型

圖5　結(jié)構(gòu)水平縱向第1階振型

圖6　結(jié)構(gòu)水平縱向第2階振型

圖7　結(jié)構(gòu)水平縱向第3階振型

由表1測試結(jié)果可見，混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的水平橫向第1階振動頻率為0.783 Hz，水平縱向第1階振動頻率為0.657 Hz，符合一般鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)對第1階頻率的設(shè)計要求，說明實測數(shù)據(jù)的可信度較好。

通過圖2至圖7給出的結(jié)構(gòu)實測振型曲線可以看出，結(jié)構(gòu)水平橫向及縱向振型明顯、曲線連續(xù)、變化均勻，較為準(zhǔn)確地反映了該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及剛度分布狀況，結(jié)構(gòu)剛度沿高度方向未產(chǎn)生突變，剛度分布均勻。

5結(jié)構(gòu)有限元分析與計算

采用ANSYS有限元軟件對該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行動力分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、幾何尺寸建立有限元模型，通過模態(tài)分析，得到該結(jié)構(gòu)自振頻率、振型等動力特性參數(shù)的理論解。模型中，框梁、連梁采用BEAM44單元；剪力墻、樓板均采用SHELL63單元，模型共計包含33 929個單元，21 835個節(jié)點。結(jié)構(gòu)有限元模型見圖8。

圖8　結(jié)構(gòu)有限元模型

通過ANSYS有限元模態(tài)分析，得到該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的各階振型，結(jié)構(gòu)的水平橫向及水平縱向的前3階頻率、周期如表2所示，其中水平橫向1～3階振型如圖9至圖11所示，水平縱向1～3階振型如圖12至圖14所示。

表2　結(jié)構(gòu)自振頻率及周期的ANSYS有限元計算結(jié)果

圖9　結(jié)構(gòu)水平橫向第1階振型

6結(jié)構(gòu)動測結(jié)果與有限元計算結(jié)果的對比分析

圖10　結(jié)構(gòu)水平橫向第2階振型

圖11　結(jié)構(gòu)水平橫向第3階振型

圖12　結(jié)構(gòu)水平縱向第1階振型

圖13　結(jié)構(gòu)水平縱向第2階振型

將結(jié)構(gòu)實測振型與ANSYS有限元計算振型相比，圖2至圖7結(jié)構(gòu)實測振型與圖9至圖14計算振型進行一一比對，兩者相應(yīng)的振型曲線均吻合較好，振型曲線光滑、連續(xù)、均勻，說明該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的實際工作性能與設(shè)計工作性能相符合。

圖14　結(jié)構(gòu)水平縱向第3階振型

結(jié)構(gòu)實測動力特性參數(shù)結(jié)果與計算結(jié)果匯總于表3。根據(jù)對表3數(shù)據(jù)的對比，結(jié)構(gòu)水平橫向、水平縱向振動的頻率實測值均高于計算值，說明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件工作性能良好[5]，結(jié)構(gòu)整體性、質(zhì)量及剛度的分布情況也較好，所以該結(jié)構(gòu)動力性能良好，整體工作性能良好。

表3　結(jié)構(gòu)自振頻率、周期的實測值與ANSYS計算值對比

根據(jù)表3的結(jié)果，該結(jié)構(gòu)兩個主軸方向(水平橫向與水平縱向)的自振基頻均較為接近，符合GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.5.3條關(guān)于結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近的規(guī)定[6]。該結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則，地震作用下，不會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

7結(jié)論

7.1該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的整體性、質(zhì)量、剛度分布情況較好，整體工作性能符合設(shè)計及規(guī)范要求，且具有一定的剛度儲備。

7.2采用脈動法對建筑結(jié)構(gòu)的動力特性進行測試，以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整體剛度、質(zhì)量分布及內(nèi)部缺陷進行檢測，從而可以間接地對結(jié)構(gòu)的整體工作性能進行評價。本文給出了一個完整的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)動測與分析計算工程實例，對同類土木工程結(jié)構(gòu)的工作性能評價有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] JGJ 3—2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

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[3] 姚起杭.振動環(huán)境試驗方法和力限試驗技術(shù)簡介[R].西安：西北工業(yè)大學(xué)振動沖擊噪聲工程技術(shù)中心，2014.

[4] 沈松，應(yīng)懷樵，葛寶珊，等.云智慧測試技術(shù)的實現(xiàn)構(gòu)架研究[A].應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動與噪聲技術(shù)(第10卷)[C].北京：航空工業(yè)出版社，2012.

[5] GB 50010—2011，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

A Reinforced Concrete Frame - Core Tube Structure Dynamic Characteristics Test

GAO Yan-bin

(Taiyuan Tech-Skyhawk Civil Engineering Inspection Co.，Ltd，Taiyuan，Shanxi，030024，China)

Key words：reinforced concrete structure；frame-core tube structure；pulsating method；finite element method；frequency；vibration mode

(編輯芋艷梅)