某钢筋混凝土框架-核心筒结构的动力特性试验

2016-01-06高艳斌

建材技术与应用 2015年2期

□□ 高艳斌(太原太工天昊土木工程检测有限公司，山西太原030024)

摘要：建筑装潢会导致结构主体隐蔽，同时也使得结构缺陷以及损伤处于隐蔽、不可见状态。为判定结构的工作状况，可采用动力特性试验的方法对结构的整体工作性能进行研究。以某钢筋混凝土框架-核心筒结构为研究对象，采用脉动法对结构进行了动力特性试验，并建立有限元模型进行计算和比较分析，对结构的工作状况作出了评价。

关键词：钢筋混凝土结构；框架-核心筒结构；脉动法；有限元；频率；振型

文章编号：1009-9441(2015)02-0004-05

中图分类号：TU 528.571

文献标识码：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.

作者简介：高艳斌(1988-)，男，山西临县人，2011年7月毕业于太原理工大学工程力学专业，从事公路市政工程、结构主体、钢结构外检工作。

收稿日期：2014-12-14

引言

建筑结构的动力特性是结构自身固有的特性，基本参数包括建筑结构的自振频率(或周期)、振型与阻尼比，建筑结构的动力特性参数可为结构的整体安全性能评估及损伤识别提供重要依据。动力特性的测试方法包括激振法、自由振动法与脉动法，本次试验采用脉动法对结构的动力特性进行测试。建筑结构的脉动是一种很微小的振动，包括来自地壳的微小运动，地面车辆、机械运动导致的地面扰动引起的建筑物振动和风等自然因素引起的建筑物振动。脉动法主要是通过合理布置传感器拾取结构的脉动响应，经分析得到其动力特性参数。采用脉动法测试结构的动力特性参数不利用任何激振设备，对建筑结构无损伤，不受结构隐蔽部位的影响，并且不会影响到结构的正常工作运行。

1工程背景

某工程项目地下2层、地上35层，建筑总高度为130.98 m，其结构形式为钢筋混凝土框架-核心筒结构，基础采用钢筋混凝土桩基础，该结构抗震设防烈度为8度，抗震等级为特一级[1]。为研究该结构在服役期内的抗震性能，采用脉动法对结构的动力特性进行测试，同时根据结构形式、几何尺寸、混凝土强度，采用有限元软件ANSYS对建筑物进行模型建立以及计算，并与测试结果比较，进而对结构的工作状况进行评价。

2试验原理

采用脉动法测试结构的动力特性参数，应首先把待测结构当做一个多自由度的系统。对于钢筋混凝土框架结构，在环境激励下结构的脉动响应信号是由两个激励源引起的，一是由地壳微小运动及机器车辆引起的地面扰动，二为风致振动，两个激励源引起的振动均是随机振动。脉动法测试所记录的数据是系统对于这些随机输入的响应，再通过输出响应谱及谱峰值求得结构物的固有频率。对于振型，使用相对测点之间传递函数的幅值与相位来近似地确定。

在进行脉动试验及其数据分析时，可作以下3条假设[2]：

(1)建筑物的脉动是一种各态历经的随机过程，其主要特征与时间起点的选择关系不大，并且因建筑物本身拥有动力特性的影响(建筑物如同一个滤波器)，所以采集到的建筑物脉动是一种随机平稳的过程。故当单次采集建筑脉动的记录时间足够长，可用单个样本的特性来描述这个过程的所有样本的平均特性。为了保证随机信号数据处理有一定的统计精度，单个样本脉动试验需要的记录时间不得少于1 800 s。

(2)对于多自由度体系，多个激振输入时，在共振频率附近所测得的物理坐标的位移幅值，可以近似地认为就是纯模态的振型幅值。对于多自由度体系，各阶固有频率见(1)式：

(1)

各阶固有频率在阻尼比较小的情况下，通过采集数据计算的频率属于(2)式范围内的均可认为是其第i阶固有频率。

(2)

在这一共振频率附近所测得的信号，可以近似地认为与其主振型成比例，而忽略其他振型的影响，这样就可以采用峰值来确定结构物各阶频率和振型。

(3)假设脉动源的频谱是比较平坦的，可以把它近似为有限带宽白噪声，也即脉动源的傅里叶谱或者功率谱是一个常数。根据这一假设，输入谱在(2)式频率范围内，Fi(ω)为常数，此处Fi为相应的广义力，该处频率带范围内输入谱将会导致结构物产生共振，输出的频谱就是结构物的动力特性响应。

实际上，多自由度体系的响应是由自然因素激励引起的响应和基础扰动激励引起的响应合成的，其中基础运动的响应又包含刚体位移部分和弹性位移部分。一般来讲，刚体位移部分很难从响应中去掉，所以采用互谱与自谱之比来近似确定振型。

当输入谱属于(2)式范围时，认为结构响应为单一振型，其他振型的影响可以忽略。但是，真实的结构输出响应包含了刚体位移，它的存在不仅引起了幅值误差，还将导致相位误差。所以，采用互谱与自谱之比确定振型，对于阻尼比较小、频率差异性较大、离开节点有一定距离的测点效果较好，而建筑物阻尼比一般较小，前几阶频率差异性较大，能够符合这些条件。因此，采用该方法在确定建筑结构前几阶振型上能得到比较好的效果[3]。

3现场测试

现场对该钢筋混凝土框架-核心筒结构进行动力测试，获取结构的水平横向和纵向各阶自振频率与振型，现场将结构每一楼层作为一个集中质点来考虑，在每一楼层的形心位置布置测点[4]，安装传感器。测试系统见图1所示。

图1　测试系统示意图

4测试结果

根据现场测试采集的数据，采用DASPV10分析处理得到钢筋混凝土框架-核心筒结构水平横及纵方向振型对应的频率与阻尼比(见表1)。水平横向1～3阶振型如图2至图4所示，水平纵向1～3阶振型如图5至图7所示。

表1　结构自振频率和阻尼的实测值

图2　结构水平横向第1阶振型

图3　结构水平横向第2阶振型

图4　结构水平横向第3阶振型

图5　结构水平纵向第1阶振型

图6　结构水平纵向第2阶振型

图7　结构水平纵向第3阶振型

由表1测试结果可见，混凝土框架-核心筒结构的水平横向第1阶振动频率为0.783 Hz，水平纵向第1阶振动频率为0.657 Hz，符合一般钢筋混凝土框架-核心筒结构对第1阶频率的设计要求，说明实测数据的可信度较好。

通过图2至图7给出的结构实测振型曲线可以看出，结构水平横向及纵向振型明显、曲线连续、变化均匀，较为准确地反映了该结构的质量及刚度分布状况，结构刚度沿高度方向未产生突变，刚度分布均匀。

5结构有限元分析与计算

采用ANSYS有限元软件对该钢筋混凝土框架-核心筒结构进行动力分析，根据结构材料参数、几何尺寸建立有限元模型，通过模态分析，得到该结构自振频率、振型等动力特性参数的理论解。模型中，框梁、连梁采用BEAM44单元；剪力墙、楼板均采用SHELL63单元，模型共计包含33 929个单元，21 835个节点。结构有限元模型见图8。