交通激励作用下光岳楼的动力响应分析及安全评估

2017-10-09

福建质量管理 2017年16期

关键词：对光模态动力

(青岛理工大学(临沂) 土建工程系山东临沂 276000)

曹雨

(青岛理工大学(临沂) 土建工程系山东临沂 276000)

本文通过对聊城光岳楼进行振动监测，在识别光岳楼模态参数、建立动力分析模型的基础上，建立地基-高台基-主体木结构三维有限元模型，对其进行车辆加载，分析交通激励下的动力响应值，对光岳楼进行安全性评估，以此提出光岳楼的保护措施。

光岳楼；动力响应分析；有限元模型；安全评估

一、交通激励作用下光岳楼振动监测

聊城市光岳楼为国家重点文物保护单位，始建于1374年，楼高约33米，由高台基和四层主楼组成，高台基由砖石砌成，高9.38米，主体结构为四层木结构，高约24米，呈向上逐渐收拢式。本次现场检测主要基于TST5912动态信号测试系统对各测点的动力响应监测，依据《古建筑防工业振动技术规范》中的要求“古建筑结构动力特性和响应的测试，属于对称结构时，可按任一主轴水平方向测试”进行测点布置，本文仅列举一层测点布置，见图1，对测试数据进行去直流、平滑、数字滤波、去除趋势项等处理，并利用东华测试软件中自带的模态分析软件对光岳楼进行模态分析。

图1一层测点布置图图2梁柱榫卯节点模拟

二、光岳楼动力特性分析

模态是结构固有的振动特性，每一个模态都有特定的固有频率阻尼比、和振型。本文采用ITD法对光岳楼进行模态分析，ITD法是指用结构自由振动响应的位移、速度或加速度时域信号进行模态参数识别的方法，并将此频率与利用东华模态分析软件所测得的频率值进行对比，见表1。

表1 光岳楼自振频率

表1中两种分析方法的基频分别为1.638Hz、1.653Hz，相差很小，故认为数据有效。另一方面，据史料记载，历史上光岳楼每经50年都会有一次大规模的修缮，所以，光岳楼的整体刚度较其他木结构(如西安钟楼等)会大很多[1]。

三、光岳楼动力响应分析

通过对光岳楼的动力响应进行数值模拟，建立了目前状态下光岳楼的地基—高台基—主体木结构的三维有限元模型，并提出环形车道车辆荷载的加载方式，得到了光岳楼在现有交通激励作用下的动力响应。

在建立主体木结构有限元模型时，楼面荷载采用简化处理，采用等效原则将屋盖的质量等效为集中荷载加载至顶层柱顶，楼面荷载考虑活荷载，采用文献[2]的荷载值3.6KN/m2；在进行柱础模拟时，节点采用直接耦合的方法，不考虑摩擦滑移的影响；梁与柱、梁与梁之间的榫卯连接采用Combin14单元来模拟，在梁柱连接处施加弹簧单元，如图2所示，柱端点①与梁端节点②③④⑤进行了连接；梁、柱单元采用Beam188进行模拟，Beam188可以承受拉、压、扭作用，每个节点具有六个自由度。主体木结构有限元模型如图3所示。高台基尺寸为34.43m×31.62m×9.38m，并将光岳楼的地基建成圆柱体，并将内圆柱半径设为36m，外圆环外半径设为60m[3]。地基—高台基—主体木结构的三维有限元模型见图4所示。

图3 主体结构有限元模型图4 光岳楼整体有限元模型

本章的地面车辆荷载采用四分之一的汽车荷载模型，针对光岳楼周边复杂的实际交通情况，本文对车辆的荷载做了简化处理，选取公交车为车辆代表，公交车单边静轮重P0=51.7KN，本文通过对来往车辆进行计数分析，共选取了12种不同工况进行分析，对各工况下的光岳楼整体有限元模型进行瞬态分析，并虑车辆行驶速度，车辆组合形式对光岳楼整体结构动力响应的影响。本文为避免赘述，仅对最符合实际情况的第5工况(环道以30km/h车速同时作用5辆公交车时)进行详细描述，因该工况下所得各拾振点水平速度峰值与实测值最相近。

本文取西南内角柱各层拾振点共5个，并计算12种工况下5个拾振点的水平振动速度峰值，工况5各拾振点的水平振动速度峰值如表2所示，各拾振点速度时程曲线如图5所示。