某鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性試驗(yàn)

□□ 高艷斌(太原太工天昊土木工程檢測(cè)有限公司，山西 太原030024)

摘要：建筑裝潢會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主體隱蔽，同時(shí)也使得結(jié)構(gòu)缺陷以及損傷處于隱蔽、不可見(jiàn)狀態(tài)。為判定結(jié)構(gòu)的工作狀況，可采用動(dòng)力特性試驗(yàn)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的整體工作性能進(jìn)行研究。以某鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用脈動(dòng)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)，并建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算和比較分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的工作狀況作出了評(píng)價(jià)。

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

文章編號(hào)：1009-9441(2015)02-0004-05

中圖分類號(hào)：TU 528.571

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)力特性參數(shù)可為結(jié)構(gòu)的整體安全性能評(píng)估及損傷識(shí)別提供重要依據(jù)。動(dòng)力特性的測(cè)試方法包括激振法、自由振動(dòng)法與脈動(dòng)法，本次試驗(yàn)采用脈動(dòng)法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)試。建筑結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)是一種很微小的振動(dòng)，包括來(lái)自地殼的微小運(yùn)動(dòng)，地面車輛、機(jī)械運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地面擾動(dòng)引起的建筑物振動(dòng)和風(fēng)等自然因素引起的建筑物振動(dòng)。脈動(dòng)法主要是通過(guò)合理布置傳感器拾取結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)響應(yīng)，經(jīng)分析得到其動(dòng)力特性參數(shù)。采用脈動(dòng)法測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)不利用任何激振設(shè)備，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，不受結(jié)構(gòu)隱蔽部位的影響，并且不會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的正常工作運(yùn)行。

1工程背景

某工程項(xiàng)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(jí)為特一級(jí)[1]。為研究該結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的抗震性能，采用脈動(dòng)法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、混凝土強(qiáng)度，采用有限元軟件ANSYS對(duì)建筑物進(jìn)行模型建立以及計(jì)算，并與測(cè)試結(jié)果比較，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的工作狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2試驗(yàn)原理

采用脈動(dòng)法測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)，應(yīng)首先把待測(cè)結(jié)構(gòu)當(dāng)做一個(gè)多自由度的系統(tǒng)。對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在環(huán)境激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)響應(yīng)信號(hào)是由兩個(gè)激勵(lì)源引起的，一是由地殼微小運(yùn)動(dòng)及機(jī)器車輛引起的地面擾動(dòng)，二為風(fēng)致振動(dòng)，兩個(gè)激勵(lì)源引起的振動(dòng)均是隨機(jī)振動(dòng)。脈動(dòng)法測(cè)試所記錄的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)對(duì)于這些隨機(jī)輸入的響應(yīng)，再通過(guò)輸出響應(yīng)譜及譜峰值求得結(jié)構(gòu)物的固有頻率。對(duì)于振型，使用相對(duì)測(cè)點(diǎn)之間傳遞函數(shù)的幅值與相位來(lái)近似地確定。

在進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)及其數(shù)據(jù)分析時(shí)，可作以下3條假設(shè)[2]：

(1)建筑物的脈動(dòng)是一種各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程，其主要特征與時(shí)間起點(diǎn)的選擇關(guān)系不大，并且因建筑物本身?yè)碛袆?dòng)力特性的影響(建筑物如同一個(gè)濾波器)，所以采集到的建筑物脈動(dòng)是一種隨機(jī)平穩(wěn)的過(guò)程。故當(dāng)單次采集建筑脈動(dòng)的記錄時(shí)間足夠長(zhǎng)，可用單個(gè)樣本的特性來(lái)描述這個(gè)過(guò)程的所有樣本的平均特性。為了保證隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)處理有一定的統(tǒng)計(jì)精度，單個(gè)樣本脈動(dòng)試驗(yàn)需要的記錄時(shí)間不得少于1 800 s。

(2)對(duì)于多自由度體系，多個(gè)激振輸入時(shí)，在共振頻率附近所測(cè)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(duì)于多自由度體系，各階固有頻率見(jiàn)(1)式：

(1)

各階固有頻率在阻尼比較小的情況下，通過(guò)采集數(shù)據(jù)計(jì)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(cè)得的信號(hào)，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(lái)確定結(jié)構(gòu)物各階頻率和振型。

(3)假設(shè)脈動(dòng)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(dòng)源的傅里葉譜或者功率譜是一個(gè)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(huì)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(dòng)力特性響應(yīng)。

實(shí)際上，多自由度體系的響應(yīng)是由自然因素激勵(lì)引起的響應(yīng)和基礎(chǔ)擾動(dòng)激勵(lì)引起的響應(yīng)合成的，其中基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)又包含剛體位移部分和彈性位移部分。一般來(lái)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(lái)近似確定振型。

當(dāng)輸入譜屬于(2)式范圍時(shí)，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(shí)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(duì)于阻尼比較小、頻率差異性較大、離開(kāi)節(jié)點(diǎn)有一定距離的測(cè)點(diǎn)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(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)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(chǎng)將結(jié)構(gòu)每一樓層作為一個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)來(lái)考慮，在每一樓層的形心位置布置測(cè)點(diǎn)[4]，安裝傳感器。測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖1所示。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)示意圖

4測(cè)試結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)應(yīng)的頻率與阻尼比(見(jiàn)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(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的水平橫向第1階振動(dòng)頻率為0.783 Hz，水平縱向第1階振動(dòng)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(duì)第1階頻率的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度較好。

通過(guò)圖2至圖7給出的結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)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(jì)算

采用ANSYS有限元軟件對(duì)該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)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(guò)模態(tài)分析，得到該結(jié)構(gòu)自振頻率、振型等動(dòng)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(jì)包含33 929個(gè)單元，21 835個(gè)節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖8。

圖8　結(jié)構(gòu)有限元模型

通過(guò)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(jì)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(dòng)測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)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(shí)測(cè)振型與ANSYS有限元計(jì)算振型相比，圖2至圖7結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型與圖9至圖14計(jì)算振型進(jìn)行一一比對(duì)，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(shuō)明該鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能與設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)動(dòng)力特性參數(shù)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果匯總于表3。根據(jù)對(duì)表3數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)構(gòu)水平橫向、水平縱向振動(dòng)的頻率實(shí)測(cè)值均高于計(jì)算值，說(shuō)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(dòng)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(shí)測(cè)值與ANSYS計(jì)算值對(duì)比

根據(jù)表3的結(jié)果，該結(jié)構(gòu)兩個(gè)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(jì)規(guī)范》第3.5.3條關(guān)于結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)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(huì)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(jì)及規(guī)范要求，且具有一定的剛度儲(chǔ)備。

7.2采用脈動(dòng)法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度、質(zhì)量分布及內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，從而可以間接地對(duì)結(jié)構(gòu)的整體工作性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文給出了一個(gè)完整的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)動(dòng)測(cè)與分析計(jì)算工程實(shí)例，對(duì)同類土木工程結(jié)構(gòu)的工作性能評(píng)價(jià)有一定的參考價(jià)值。

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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)