某框架結(jié)構(gòu)辦公樓的動力特性測試與分析.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)辦公樓的動力特性測試與分析吳小波（福建省建筑科學研究院350025）提要通過對一框架結(jié)構(gòu)辦公樓的脈動測試，在頻域中進行參數(shù)識別獲取結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)，并與理論計算結(jié)果進行比較分析，得出了一些在工程動測與結(jié)構(gòu)計算分析中實用的結(jié)論。關(guān)鍵詞框架結(jié)構(gòu)；脈動法；動力測試；剛度；周期TestingandAnalysisofDynamicCharacteristicsofaRepresentativeFrameOffice-BuildingWuxiao-bo(FujianAcademyofBuildingResearch,fuzhou350025,China)Abstract:Throughthetestingofdynamiccharacteristicsofarepresentativeframestructure,thedynamicparametersofthisstructureareidentifiedinfrequencydomain.Attheend,theresultsoftestingandcomputingarecompared,andsomeappliedresultsareproposed.Keywords:framestructure；microtremorsmethod；vibrationtests；stiffness；vibrationperiod1引言目前對建筑結(jié)構(gòu)進行動力特性試驗以獲取結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)的方法主要有人工激振法和環(huán)境隨機振動法兩類。其中人工激振法又分為自由振動法和強迫振動法，自由振動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，通過記錄下的結(jié)構(gòu)振動衰減曲線，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學理論可以求出結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼，因此通常又稱它為“張拉釋放法”；強迫振動法也稱“共振法”，一般通過激振器對結(jié)構(gòu)施加周期性的諧振動以獲得結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)。人們在試驗觀測中發(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；利用建筑物周圍環(huán)境的微小振動（俗稱脈動）作為激勵而引起結(jié)構(gòu)物的微幅振動反應，來測定分析結(jié)構(gòu)物的動力特性的方法稱之為脈動法。脈動法是結(jié)構(gòu)動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)動力特性的測試與參數(shù)的識別方法【1，2】結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的頻域識別方法是基于結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)或頻率響應函數(shù)（簡稱頻響函數(shù)）在頻域內(nèi)識別結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)的方法。將一個結(jié)構(gòu)進行離散化處理后，其動態(tài)性能可由N階矩陣微分方程描述：tfxKxCxM(1)對式(1)兩邊進行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)。對于輸入源的頻譜平坦，可近似為有限帶寬的白噪聲，這時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為復函數(shù)，其幅值為：20222021mH(4)令：0dHd；當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應的頻率可確定結(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)。實際應用中結(jié)構(gòu)自振頻率的識別常依據(jù)結(jié)構(gòu)-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-反應的自功率譜。但由于測量噪聲和激勵譜的影響，結(jié)構(gòu)反應自功率譜的峰值處不一定是模態(tài)頻率。可依據(jù)下列原則由結(jié)構(gòu)反應頻譜特征判別結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率：（1）結(jié)構(gòu)反應各測點的自功率譜峰值位于同一頻率處；（2）模態(tài)頻率處各測點間的相干函數(shù)較大；（3）各測點在模態(tài)頻率處具有同相位或反相位。運用結(jié)構(gòu)動力響應互譜與自譜之比來確定振型，對于阻尼比較小、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，因此該方法也比較實用。對實際的工程測試而言，在頻域中識別結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的一個有利因素是可以通過測試獲得的不完備信息條件識別得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一些重要特征參數(shù)。3框架結(jié)構(gòu)辦公樓動力測試實例3.1建筑結(jié)構(gòu)概況某疾病控制中心實驗樓建于1977年，原設(shè)計為六層，實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實驗樓結(jié)構(gòu)平面布置示意圖3.2動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方向的拾振器，測試時間為中午下班時間，以避免人為的干擾噪聲；現(xiàn)場采用50Hz的采樣頻率對結(jié)構(gòu)的脈動速度反應進行約1小時的采樣，抗混濾波器設(shè)置20Hz的低通濾波，數(shù)據(jù)采集儀16通道分別對應X方向二七層的速度反應，712通道分別對應Y方向二七層的速度反應,圖2和圖3分別為X、Y方向各通道的時域波形。圖2X方向各樓層速度反應時域波形圖3Y方向各樓層速度反應時域波形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方向各通道的時域波形可以看出,隨樓層的增加,結(jié)構(gòu)的脈動反應呈放大趨勢；對各樓層時域波形進行傅氏變換,以頂層質(zhì)點作為參考,得到各樓層相對于頂層質(zhì)點的互譜結(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實測結(jié)果與理論計算的分析比較4.1結(jié)構(gòu)計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，混凝土強度為C20，采用SATWE程序?qū)υ摻Y(jié)構(gòu)進行計算，計算得到該樓兩個方向前兩階振型和周期結(jié)果見表3表4，實測周期與計算周期的比較結(jié)果見表5。表3X方向計算振型結(jié)果樓層相對幅值振型1階TX1=1.7509S2階TX2=0.5810S71-1012345678-101相對幅值樓層/層60.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000表4Y方向計算振型結(jié)果樓層相對幅值振型1階TY1=1.4268S2階TY2=0.4695S711012345678-1-0.500.51相對幅值樓層/層60.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.163-0.493000表5實測周期與計算周期的比較固有周期(秒)實測cT計算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)的計算周期較實測周期偏大甚多，其中一個較主要的因素是，框架結(jié)構(gòu)在計算中，通?？箓?cè)力構(gòu)件只考慮承重的框架柱遭受破壞前，尤其在脈動反應中，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)計算周期與實測值相比偏大的主要原因。5結(jié)語雖然填充墻能協(xié)同框架分擔水平力，但不易計算?，F(xiàn)行規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)的抗震計算通常采用不考慮填充墻的剛度和強度，只作為慣性重量集中到各樓層，以保證“進行結(jié)構(gòu)抗震強度驗算與所確定自振周期采取的計算簡圖相一致”，這一抗震設(shè)計方法是簡單的，但須注意的是，對上重下輕（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際剪力較多地超過不計上層填充墻時的計算剪力。從框架結(jié)構(gòu)實測周期與計算周期的對比可以看出，填充墻在實際工作狀況中的剛度貢獻是客觀存在的，在結(jié)構(gòu)計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