脉动法在某框架—核心筒结构安全性鉴定中的应用

刘 明 吉

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)



脉动法在某框架—核心筒结构安全性鉴定中的应用

刘 明 吉

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

结合上海市某办公楼的结构特征，建立了该结构的ETABS计算模型，并采用脉动法对结构的安全性进行了鉴定，将软件计算结果与现场实测数据作了对比，提高了结构鉴定的准确性。

办公楼，框架—核心筒结构，脉动法，安全性

0 引言

建筑结构动力特性的测试，目前主要采用脉动测试的方法。来自地面车辆、机器运转、地壳运动以及风振等自然随机干扰力作用，其能引起建筑结构的微小振动。利用信号放大器，记录设备及高灵敏度的拾振器记录结构振动反应，利用随机信号数据处理的技术，分析结构物的自振周期、阻尼等动力特性。它不需要利用额外的激振设备，对结构构件不造成损伤，也不影响建筑物内部正常使用，是一种简便而有效的测定结构动力特性的方法[1]。

1 结构概况及计算模型

某办公楼位于上海市黄浦区商业中心，为地下2层，地上36层的框架—核心筒结构。该房屋于1988年设计，1997年建设完成后作为综合性办公楼使用至今。建筑总高度为115.5 m，总建筑面积近2.7万m2。房屋首层层高为6.0 m，其中在3.0 m处局部设有夹层，标准层层高为3.1 m，房屋标准层结构布置见图1。因大厦房间功能进行重新规划布置，统一对大楼进行整体改造。为了了解原结构的安全性能，本文采用了脉动法对该结构进行了实验分析。为了对比软件计算结果与现场实测数据，本结构整体模型采用结构分析软件ETABS建立，模型如图2所示。

2 脉动法原理

脉动法是通过测量建筑物在自然干扰力作用下产生的微小振动，来分析结构自振周期、阻尼等动力特性的方法。由结构动力学方程可知，多自由度结构振动模型可由N阶微分方程描述[2]：

(1)

对式(1)两边进行Fourier变换，得：

X(w)=H(w)F(w)

(2)

其中,

(3)

自然界脉动源其频谱平坦，可将其输入功率谱近似为常数，因此结构频响函数的频谱特征与结构反应的频谱特性一致。

频响函数H(w)幅值为：

(4)

令：

有：

(5)

正常情况下，结构阻尼比ζ很小(ζ≤0.1)，可简化为：w=w0。因此由曲线峰值所对应的频率可近似为结构的自振频率。

通过半功率点处所对应的频率值可确定结构的阻尼比，即满足方程：

(6)

方程的两个解为：

(7)

(8)

则：

w2-w1=2ζw0

(9)

(10)

在结构脉动测试中，高灵敏的拾振器以固定的采样频率实时采集结构的速度、加速度或位移时程曲线。将采集的时程曲线进行快速傅里叶变换，转换为频率里的功率谱。这样可以很容易地从功率谱的峰值点识别出结构的自振频率，采用半功率法还可以计算出相应的阻尼比。

3 测试过程及结果

本次动测目的是为了获得大楼自振频率、阻尼。根据结构振动理论可知，结构第一振型为与竖轴无交点且无拐点的曲线，第二振型与竖轴有一个交点且有一个拐点。为了在测量过程中，能够测得第二振型曲线上的拐点及与竖轴的交点，正确反映振型曲线的变化趋势，测点的布置应较密集，相邻两测点间不应离得太远。因此本次测量将在每两层布置有测点，以保证动测能够较准确反映房屋振型的变化形式，又不至于使测量工作太过繁琐。每次按顺序测试相邻的三个楼面，分结构横向(东西方向、X向)和纵向(南北方向、Y向)分别测试，每轮测试中，有一个楼面与下一轮测试的一个楼面重复(测试从最高层开始，由上往下测试)，以保证测试数据的连续和可比。动测得到结构振动的部分时域波形见图3，图4；根据实测的时域波形经过计算整理和傅里叶变换得到的部分自功率谱(频域波形)见图5，图6；根据实测的时域波形整理、变换得到的部分幅值谱见图7，图8；根据实测波形获得阻尼、周期识别结果见图9，图10。

4 测试过程分析

对动测结果的时域波形进行频域分析后，所得结构的自振频率见表1。

表1 结构实测频率与计算频率

动测结果显示，结构基本自振周期为1.786 s(1/0.56 Hz)，与GB 50009—2012建筑结构荷载规范[2]给定的一般按经验公式推算的结构自振周期值T1=0.06n=0.06×36=2.16 s有一定差异。根据ETABS计算结果与实测结果比较可知(见表1)，两者在各阶频率之间均存在一定差异，频率计算结果均比频率实测结果小，即房屋的计算周期要大于实测周期。经分析其主要原因如下：

1)脉动法是通过拾取房屋在微弱环境振动下的响应而获得结构的动力特性，因此结构的实际振动变形幅值很小，此时结构混凝土材料的弹性模量接近原点切线模量，另外部分结构构件的材料强度高于原设计强度，因此这些原因导致结构的混凝土弹性模量(E)增大，实际结构的刚度比建模计算的结构刚度大，因此结构实测周期要短；

2)实测结构有部分围护墙，填充墙等非结构构件，其对结构的刚度也有贡献，而建模计算中未考虑这部分非结构构件对结构刚度的影响；

3)对结构进行检测时，房屋空无一人，并且室内的家具、设备等重物均已移出屋外，因此检测时房屋的实际重量要小于计算模型的重量，这也会导致房屋实测的频率偏大。

根据测量结果分析，结构的实测阻尼比介于2.8%～5.2%之间，平均为3.99%，属正常，表明结构整体上无明显的损伤。

[1] 李 斌，卢文胜，沈剑浩，等.高层建筑结构动力特性测试实例分析[J].结构工程师，2006，22(2)：63-66.

[2] 李国强，李 杰.工程结构动力检测理论与应用[M].北京：科学出版社，2002.

[3] GB 50009—2012,建筑结构荷载规范[S].

The application of pulsating method in a frame-core tube structure safety identification

Liu Mingji

(ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupLimitedCompany,Shanghai200070,China)

Combining with the structural features of an office building in Shanghai, this paper established the ETABS calculation model of the structure, and using pulsating method identified the structure safety, compared the software calculation results and field data, improved the accuracy of structure identification.

office building, frame-core tube structure, pulsating method, safety

1009-6825(2017)14-0037-03

2017-03-08

刘明吉(1985- )，男，工程师

TU317

A