加固后钢筋混凝土框剪结构动力测试及性能分析

田昱峰

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

1 工程概况

某高层商住楼主体结构为地下1层，地上17层的钢筋混凝土框剪结构，结构高度为56.45 m，裙楼结构为地下1层，地上3层的钢筋混凝土框架结构。该高层商住楼主体结构于2006年年底开工建设，在施工阶段经检测发现该楼主体及裙楼－1层～6层结构构件混凝土强度未能达到设计要求，造成结构构件实际承载力显著下降。为此，对混凝土梁采用粘钢加固，对混凝土柱采用加大截面法和外包型钢法加固，对混凝土剪力墙采用加大截面法(墙肢延长及墙体加厚)及混凝土筏板基础加厚进行加固。加固工程完工后，又继续施工完成了7层以上主体结构。本文通过对该楼加固后结构的动力特性进行测试分析，对该楼现有结构整体性能进行了客观评价。

2 结构动力特性现场测试过程及结果

2.1 建筑结构动力特性测试方法

现场采用环境脉动法测试结构的动力特性。环境脉动试验是利用高灵敏度的传感器、放大记录设备、借助于随机信号数据处理技术，利用环境脉动激励量测建筑物的响应，分析确定建筑的动力特性的一种有效而简便的方法。测试设备为INV-6智能信号采集处理分析系统和891-Ⅱ型拾振器。利用该套测试系统进行环境脉动试验，可顺利完成测试数据从采集、滤波、时域到频域转换的全过程，从测试数据中判别出结构的各阶自振频率，根据实测的自振频率测得结构的振型。测试系统示意图见图1。

2.2 结构动力特性现场测试过程

将每一楼层作为一个集中质量的质点来考虑，在每一楼层的地板上布置测点，安放传感器。环境脉动测试在夜间进行(晚22:00～次日7:00)，对结构分别进行水平方向(横向和纵向)振型及扭转振型的测试。首先进行结构水平方向(横向和纵向)上结构振型的测试。在结构各层楼板形心摆放好传感器后，连接好导线，接通测试仪器设备，开始测试。开启设备及测试软件后，进行示波，对示波波形进行归一化调试后，开始采样，每次采样时间为20 min，采样完毕后自动保存。每个测点均进行结构纵、横两个方向上的测试，一次测量完成后，基准点的传感器不动，其他传感器按照事先计划好的顺序调整位置，重新摆放，开始第二次测量，直到该组测试工作完成。然后进行结构扭转振型的测试，进行结构扭转振型测试时只是传感器摆放位置不同于结构水平方向振型测试，其余过程同上述。

结构平面上测试点位置见图2。测试时在每层均布置测点，且在每一个量测层中，各测点位置均相同。

2.3 测试结果

表1给出了加固后结构前3阶的模态频率和阻尼实测值。

2.4 结果分析

表1 采用不同方法得到的结构自振周期及频率

由结构实测振型曲线可看出，底部3层结构的脉动响应较小，4层及4层以上各层结构的脉动响应较大，在4层交界处可明显看出存在响应突变，4层及4层以上各层结构振型曲线连续，略有突变，不是十分光滑。实测振型曲线的形式较真实的反映了该楼现有结构的目前情况，结构底部3层为带裙楼的大底盘结构，结构质量及结构侧向刚度和扭转刚度明显大于上部主体结构;4层～8层结构的填充墙已经施工完毕，楼层的质量和刚度相对9层及9层以上尚未进行填充墙施工的楼层均为大;而9层楼面和10层楼面上堆放了大量的建筑材料，改变了该两层结构的质量。高层商住楼现场各层实际存在的刚度突变和质量突变都将不可避免的在结构振型曲线上反映出来。

3 高层商住楼现有结构有限元仿真分析

本文采用有限元程序Midas的前处理模块，根据结构几何尺寸、材料参数，建立结构三维有限元分析模型，进行结构模态有限元分析，得到结构自振频率、周期及振型曲线图等结构动力特性参数的理论解。采用Midas软件建立的结构有限元模型见图3。

表1给出了结构前3阶水平横向、水平纵向及扭转的自振周期和频率的理论解。结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减。当非承重墙体为填充砖墙时，对框架—剪力墙结构的计算周期自振折减系数可取0.7～0.8，考虑到目前结构填充墙体尚未施工完毕，不宜折减过多，故折减系数取0.8。

4 高层商住楼现有结构工作性能分析

由表1数据对比可知，两种方法得到的结构自振周期与频率虽不尽相同，但差别不大，结构实测振型同理论计算振型基本相符。由于理论计算过程中，要先确定计算简图和结构刚度，而实际结构往往是比较复杂的，计算简图都要经过简化，通常像填充墙等非结构构件并不计入结构刚度，而且结构的质量分布、材料的实际性能、施工质量等都难以非常精确地计算。因此理论计算求得的结构自振频率与实际结构的自振频率是存在一定误差的。

该结构两个主轴方向(水平横向与水平纵向)的实测自振周期(频率)较为接近，满足结构在两个主轴方向的动力特性宜相近的原则。对于A级高度高层建筑，其以结构扭转为主的第一自振周期Tt与以平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.9，由Midas给出的结构自振周期值(折减后)经计算，该比值不大于0.9。由实测结构自振周期值经计算，该比值略大于0.9，但考虑到测试时结构实际的质量与刚度分布情况，待结构完成全部施工后，该结构的扭转振动频率与平移振动频率会相差更大，满足该比值。总体上看，结构实际振动仍以纵、横两个方向的水平振动为主。

结构理论计算周期、实测周期与经验公式计算周期三者较为接近，说明经加固施工后的该高层商住楼现有结构具有一般钢筋混凝土框架—剪力墙结构应有的质量和刚度分布。现有整体结构实测振型曲线总体连续，突变较大处为裙楼与主楼交接部位(由于结构设计原因，这一情况是无法避免的)，主楼上部结构实测振型曲线较为连续、均匀，存在的小突变与现场实际施工情况(主要是填充墙的施工进度)有关，待施工完毕后，此情况必有改观。总体上看，该楼加固后结构的抗侧力构件工作性能较好，实际结构整体性、刚度及质量的分布情况亦较好。

5 结语

高层商住楼加固后结构整体性实测振型曲线总体连续，抗侧力构件工作性能较好，结构的质量和刚度分布符合一般钢筋混凝土框架—剪力墙结构应有的质量和刚度分布规律，经加固施工后的结构能够满足设计使用要求。

[1]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[2]JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]GB 50010-2010，建筑抗震设计规范[S].