某框架結(jié)構(gòu)辦公樓的動(dòng)力特性測試與分析.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-某框架結(jié)構(gòu)辦公樓的動(dòng)力特性測試與分析吳小波（福建省建筑科學(xué)研究院350025）提要通過對(duì)一框架結(jié)構(gòu)辦公樓的脈動(dòng)測試，在頻域中進(jìn)行參數(shù)識(shí)別獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出了一些在工程動(dòng)測與結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中實(shí)用的結(jié)論。關(guān)鍵詞框架結(jié)構(gòu)；脈動(dòng)法；動(dòng)力測試；剛度；周期TestingandAnalysisofDynamicCharacteristicsofaRepresentativeFrameOffice-BuildingWuxiao-bo(FujianAcademyofBuildingResearch,fuzhou350025,China)Abstract:Throughthetestingofdynamiccharacteristicsofarepresentativeframestructure,thedynamicparametersofthisstructureareidentifiedinfrequencydomain.Attheend,theresultsoftestingandcomputingarecompared,andsomeappliedresultsareproposed.Keywords:framestructure；microtremorsmethod；vibrationtests；stiffness；vibrationperiod1引言目前對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)以獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的方法主要有人工激振法和環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)法兩類。其中人工激振法又分為自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法，自由振動(dòng)法是借助外荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的初位移（或初速度），然后突然卸去荷載，結(jié)構(gòu)便產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)，通過記錄下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)衰減曲線，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論可以求出結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼，因此通常又稱它為“張拉釋放法”；強(qiáng)迫振動(dòng)法也稱“共振法”，一般通過激振器對(duì)結(jié)構(gòu)施加周期性的諧振動(dòng)以獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。人們在試驗(yàn)觀測中發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)由于受外界的干擾而經(jīng)常處于微小而不規(guī)則的振動(dòng)之中，通常將建筑結(jié)構(gòu)所受的外界干擾稱為環(huán)境振動(dòng)；利用建筑物周圍環(huán)境的微小振動(dòng)（俗稱脈動(dòng)）作為激勵(lì)而引起結(jié)構(gòu)物的微幅振動(dòng)反應(yīng)，來測定分析結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性的方法稱之為脈動(dòng)法。脈動(dòng)法是結(jié)構(gòu)動(dòng)測中的一種常用方法，它不需用起振設(shè)備，又不受結(jié)構(gòu)型式和大小的限制，簡單易行。2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的測試與參數(shù)的識(shí)別方法【1，2】結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的頻域識(shí)別方法是基于結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)（簡稱頻響函數(shù)）在頻域內(nèi)識(shí)別結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)的方法。將一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理后，其動(dòng)態(tài)性能可由N階矩陣微分方程描述：tfxKxCxM(1)對(duì)式(1)兩邊進(jìn)行Fourier變換，得：FHXd(2)式中022021jmHd(3)dH稱為結(jié)構(gòu)的位移頻響函數(shù)。對(duì)于輸入源的頻譜平坦，可近似為有限帶寬的白噪聲，這時(shí)由于輸入功率譜為常數(shù)，結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的頻譜特征與結(jié)構(gòu)反應(yīng)的頻譜特征一致。以位移頻響函數(shù)為例，由式(3)可知，頻響函數(shù)H為復(fù)函數(shù)，其幅值為：20222021mH(4)令：0dHd；當(dāng)20021有：220max121mH一般工程結(jié)構(gòu)的阻尼比很小1.0，則：00，可見，由幅頻特性曲線峰值所對(duì)應(yīng)的頻率可確定結(jié)構(gòu)的自振圓頻率。這種結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的方法同樣適用于速度和加速度的頻響函數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中結(jié)構(gòu)自振頻率的識(shí)別常依據(jù)結(jié)構(gòu)-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-反應(yīng)的自功率譜。但由于測量噪聲和激勵(lì)譜的影響，結(jié)構(gòu)反應(yīng)自功率譜的峰值處不一定是模態(tài)頻率?？梢罁?jù)下列原則由結(jié)構(gòu)反應(yīng)頻譜特征判別結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率：（1）結(jié)構(gòu)反應(yīng)各測點(diǎn)的自功率譜峰值位于同一頻率處；（2）模態(tài)頻率處各測點(diǎn)間的相干函數(shù)較大；（3）各測點(diǎn)在模態(tài)頻率處具有同相位或反相位。運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)互譜與自譜之比來確定振型，對(duì)于阻尼比較小、且頻率間隔較大的結(jié)構(gòu)效果較好，所幸一般工程結(jié)構(gòu)都具有這一特點(diǎn)，因此該方法也比較實(shí)用。對(duì)實(shí)際的工程測試而言，在頻域中識(shí)別結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的一個(gè)有利因素是可以通過測試獲得的不完備信息條件識(shí)別得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一些重要特征參數(shù)。3框架結(jié)構(gòu)辦公樓動(dòng)力測試實(shí)例3.1建筑結(jié)構(gòu)概況某疾病控制中心實(shí)驗(yàn)樓建于1977年，原設(shè)計(jì)為六層，實(shí)際建成七層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為整體筏板基礎(chǔ)，建筑面積約5880m2，建筑為典型的內(nèi)廊式辦公樓，平面布置規(guī)則，結(jié)構(gòu)縱橫方向平面尺寸分別為56m，15m，建筑高度約為24m，結(jié)構(gòu)平面布置詳圖1。圖1實(shí)驗(yàn)樓結(jié)構(gòu)平面布置示意圖3.2動(dòng)力特性測試方案及測試結(jié)果該建筑平面較為規(guī)則，選擇在走廊中部沿二至七層布置縱橫兩個(gè)方向的拾振器，測試時(shí)間為中午下班時(shí)間，以避免人為的干擾噪聲；現(xiàn)場采用50Hz的采樣頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)速度反應(yīng)進(jìn)行約1小時(shí)的采樣，抗混濾波器設(shè)置20Hz的低通濾波，數(shù)據(jù)采集儀16通道分別對(duì)應(yīng)X方向二七層的速度反應(yīng)，712通道分別對(duì)應(yīng)Y方向二七層的速度反應(yīng),圖2和圖3分別為X、Y方向各通道的時(shí)域波形。圖2X方向各樓層速度反應(yīng)時(shí)域波形圖3Y方向各樓層速度反應(yīng)時(shí)域波形02E-124E-126E-128E-121E-111.2E-111.4E-111.6E-110123456789101112131415Hz互譜幅值3#6-1互譜幅值(m/s*m/s)3#6-2互譜幅值(m/s*m/s)3#6-3互譜幅值(m/s*m/s)3#6-4互譜幅值(m/s*m/s)3#6-5互譜幅值(m/s*m/s)3#6-6互譜幅值(m/s*m/s)圖4X方向各樓層與7層速度反應(yīng)的互譜曲線02E-124E-126E-128E-121E-111.2E-110123456789101112131415Hz互譜幅值3#12-7互譜幅值(m/s*m/s)3#12-8互譜幅值(m/s*m/s)3#12-9互譜幅值(m/s*m/s)3#12-10互譜幅值(m/s*m/s)3#12-11互譜幅值(m/s*m/s)3#12-12互譜幅值(m/s*m/s)圖5Y方向各樓層與7層速度反應(yīng)的互譜曲線圖2和圖3所反映的樓層X、Y方向各通道的時(shí)域波形可以看出,隨樓層的增加,結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)反應(yīng)呈放大趨勢；對(duì)各樓層時(shí)域波形進(jìn)行傅氏變換,以頂層質(zhì)點(diǎn)作為參考,得到各樓層相對(duì)于頂層質(zhì)點(diǎn)的互譜結(jié)果,具體見圖4和圖5,由圖4和圖5可以看出各層的互譜曲線均在結(jié)構(gòu)的主頻出現(xiàn)明顯的波峰。根據(jù)各樓層互譜幅值進(jìn)行振型擬合,結(jié)果見表1和表2.-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-表1X方向前2階測試振型結(jié)果樓層第1階f1=1.904Hz第2階f2=5.614Hz振型7F(6#)10.3153812345678-2-10126F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F00表2Y方向前2階測試振型結(jié)果樓層第1階f1=2.002Hz第2階f2=5.956Hz振型7F(6#)10.3153812345678-2-10126F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F004實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算的分析比較4.1結(jié)構(gòu)計(jì)算分析該工程為七層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面布置規(guī)則，建筑各層高度分別為23.5m、53.4m，混凝土柱截面尺寸均為300400，混凝土強(qiáng)度為C20，采用SATWE程序?qū)υ摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到該樓兩個(gè)方向前兩階振型和周期結(jié)果見表3表4，實(shí)測周期與計(jì)算周期的比較結(jié)果見表5。表3X方向計(jì)算振型結(jié)果樓層相對(duì)幅值振型1階TX1=1.7509S2階TX2=0.5810S71-1012345678-101相對(duì)幅值樓層/層60.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000表4Y方向計(jì)算振型結(jié)果樓層相對(duì)幅值振型1階TY1=1.4268S2階TY2=0.4695S711012345678-1-0.500.51相對(duì)幅值樓層/層60.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.163-0.493000表5實(shí)測周期與計(jì)算周期的比較固有周期(秒)實(shí)測cT計(jì)算sTscTT方向階次X1階0.52521.69260.312階0.17810.57690.31Y1階0.49951.38300.362階0.16790.46760.36由表5可以看出，框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期較實(shí)測周期偏大甚多，其中一個(gè)較主要的因素是，框架結(jié)構(gòu)在計(jì)算中，通?？箓?cè)力構(gòu)件只考慮承重的框架柱遭受破壞前，尤其在脈動(dòng)反應(yīng)中，結(jié)構(gòu)整體處于線彈性工作階段，框架填充墻與框架協(xié)同工作且其提供的抗側(cè)剛度很大，這是造成結(jié)構(gòu)計(jì)算周期與實(shí)測值相比偏大的主要原因。5結(jié)語雖然填充墻能協(xié)同框架分擔(dān)水平力，但不易計(jì)算?，F(xiàn)行規(guī)范對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算通常采用不考慮填充墻的剛度和強(qiáng)度，只作為慣性重量集中到各樓層，以保證“進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)度驗(yàn)算與所確定自振周期采取的計(jì)算簡圖相一致”，這一抗震設(shè)計(jì)方法是簡單的，但須注意的是，對(duì)上重下輕（如底部空曠）的房屋，不宜隨意把填充墻簡化成慣性重量作用到框架上去，這樣作容易使底層框架柱的實(shí)際剪力較多地超過不計(jì)上層填充墻時(shí)的計(jì)算剪力。從框架結(jié)構(gòu)實(shí)測周期與計(jì)算周期的對(duì)比可以看出，填充墻在實(shí)際工作狀況中的剛度貢獻(xiàn)是客觀存在的，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中雖然可采用不考慮填充墻剛-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-度和