某钢筋混凝土框架结构厂房动力特性测试分析

赵 明

1 概述

某烧结厂内某厂房系建国初我国自行设计建造。自投产运行以来，主体土建结构未曾有过全面的检测鉴定。由于主厂房当初设计、建造时，国家有关设计规范、标准以及土建施工条件、技术要求、材料性能与现在相比，其规定、水平有所变化;加之该主厂房运行以来，受使用条件和外部环境的影响，混凝土碳化，局部构件出现裂缝，混凝土剥落，钢筋(板)锈蚀，钢构件出现屈曲变形，梁柱连接部位松脱等现象的发生，导致厂房整体结构性能和结构正常使用水平下降。鉴于此，对该厂某厂房结构动力特性实测和分析为厂房结构加固设计提供技术依据。

2 测试原理

本文试验采用脉动法测试。脉动法是指利用建筑物周围大环境的微小振动(俗称脉动)作为激励，引起结构物的脉动反应，从而测定结构物的自振特性。对一个多自由度的线弹性体系，根据线性多自由度系统的动力分析理论，动态方程可用正则坐标写成如下形式:

其中，Yj(t)为正则坐标向量的第j个元素;fj(t)为激振力向量的第j个元素。

那么，在第k个自由度的真实响应，即原坐标中的第k个自由度上的响应将是:

其中，φkn为第n个标准化振型向量第k个自由度上对应的元素。

如果将时间域的响应变换到频率域，将用到Yn(t)的自功率谱，且可以表示为:

图1 厂房平面布置图

图2 厂房Ⓓ—Ⓓ轴立面图

图3 厂房Ⓒ—Ⓒ轴立面图

在第k点真实的响应信号的自功率谱，对于小阻尼结构，通常认为正则振型互相之间是不相关的。因此，响应自功率谱表达式可以写成:

很显然，只有当激励力的自功率谱在固有振型频率范围内为常量时，才能反映系统的动态特性。激振信号谱比较平坦，且在半功率带宽内是或包含白谱，各模态间耦合可以忽略，所以各谐振峰处半功率带宽内的响应就可认为与纯模态响应相等。于是，可根据振幅谱图的峰值点对应的频率确定系统的固有频率;根据振幅谱图上各峰值处的半功率带宽确定模态阻尼比;根据同一固有频率处各测点振幅谱图的峰值的大小确定固有振型幅值的相对大小。

表1 工况与测点布置简图

3 测试测点布置

该厂房为钢筋混凝土框架结构，现场测试中，为了测量靠近振动筛的主要受力柱子振动特性，将水平拾振器沿竖向分别放置于±0.00 m地坪柱脚、3.9 m一层柱顶附近、9.8 m二层柱顶附近、13.7 m三层柱顶附近、19.3 m四层柱顶附近等特征高度处。

根据该厂厂房的构成，测试分别在结构两个部位上进行，即厂房C列，D列与⑥轴线相交处的两个混凝土柱。测点布置见图1～图3。

4 测试工况

现场测试采用横向和纵向地脉动以得到厂房的动力特性(横向和纵向的振动频率、振型、阻尼比)。测试时，拾振器测量结构的两个水平主轴方向的振动信号。首先测试结构的横向振动，然后将各拾振器同向扭转90°测量纵向振动。各工况见表1。

表2 某厂房D6柱各工况数据处理结果

5 动力特性测试结果

根据现场采集的输入和输出信号，通过“DASP”软件进行频域分析，得到了厂房结构振动的动力特性包括频率、振型。从图上各个测点的峰点对应的频率和幅值，得到厂房结构纵、横向的频率和该频率对应的振型，各工况数据经处理分析后由表2，表3，图4给出。

表3 某厂房C6柱各工况数据处理结果

图4 框架柱振型图（单位：m）

6 结语

通过结构的动力特性的测试，可以为该厂房结构抗震分析提供动力参数，在没有大型激振设备的情况下，利用大地的脉动通过专门的仪器进行结构的动测是简捷方便的。通过本文，可为多层钢筋混凝土结构动力测试作为参考依据。框架结构动力特性周期电算结果一般较实测周期偏大很多，一个主要的因素是:框架结构在电算中只考虑框架柱是抗侧力构件。而在脉动反应现场实测中，结构整体处于线弹性工作阶段，框架填充墙与框架处于协同工作状态，故提供的抗侧刚度很大，这是造成结构电算周期与实测值相比偏大的主要原因。对于此次测量的车间标高3.9 m处振幅异常，则是因为此标高处平台放置一台三相异步电动机，由于现场条件限制，此电动机无法停止运转，因而造成此处振幅激增。

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