包头体育场钢罩棚自振频率监测与退化分析

田志昌，孟庆炎，尹烁朝，冯继帅

(内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010）

1 引言

随着我国体育事业的蓬勃发展，近年各城市兴建了许多大型体育场，由于体育场大多建造在室外，所处环境较为恶劣，结构发生退化与损伤的风险极大，且一旦发生事故不仅财产损失巨大，人员伤亡也非常严重。现如今对体育场的监测大多处于建造过程中，建成后的长期观测也必不可少，长期监测不仅可以反映结构使用中的退化情况，更可以在事故发生前进行预测与补救。因此，凸显出对体育场结构定期进行健康检测的必要性。

2 工程概况

包头奥林匹克体育中心位于包头市九原区，其主要由主体育场、室内体育馆和露天体育场三部分组成。本文主要针对主体育场上部钢罩棚进行自振频率测定进行分析。

图1 主体育场图

主体育场为一座拥有4万座位的露天体育场，总建筑面积58401.6m2。其主要由下部建筑和上部钢结构部分组成，上部钢结构分为东、西两个罩棚，相互独立，均为桁架结构，由场地内两条主拱桁架、座位外围两条副拱桁架和主、副拱桁架间的钢罩棚组成。其中，东罩棚主拱南北跨度280m，西罩棚主拱南北跨度299m，东西主拱最高点标高分别为63.945m和63.556m。主拱采用空间桁架的结构形式，弦杆杆件直径650mm，腹杆杆件直径219mm，杆件材质均为Q345b型钢。

图2 体育场平面图

3 测量方法简介

本项目测量主要针对上部钢结构罩棚进行自振频率的测量，测量方法为把高灵敏度力平衡加速度传感器通过油泥直接与钢结构杆件进行粘结，对结构自振频率以及外界激励进行捕获，并通过信号放大器及数据采集器进行收集，最终通过软件显示出波形图，之后由傅里叶积分原理，将时间域转化为频率域，进行结构自振频率的分析。

图3 传感器

测量时间为2018年7月至2020年10月，由于冬季气温过低，无法保证仪器准确性，所以仅在每年4、7、10三个月份进行测量，共计进行了两次试验测量和八次正式测量。

为了提高数据采集的质量，加速度传感器的安装位置根据钢桁架的振型关键点来布置。本工程采用sap2000模型对体育场钢结构自振频率及振型进行模拟。图4是钢结构罩棚通过sap2000软件模拟出的前二阶振型变形图。

图4 一、二阶振型图

上图箭头所指的是结构位移最大、特征最明显的点，因此根据模型模拟出的振型图，确定了这三个点位为加速度传感器的安装位置。西罩棚的振型特点与东罩棚非常相似，属同一种类型，因此测点的布置基本相同。最终测点布置如图5所示。

图5 观测点布置图

每期测量在每个点分白天和夜间进行两次，同时对每个测点杆件进行南北、东西以及垂直三个方向测量，每次测量分别采用了 200Hz、500Hz、1000Hz三组不同的采样频率，采集又分为脉动监测和锤击监测两种，脉动监测主要监测结构所处环境中无序振动特性的白噪声。锤击监测主要是人为在距离监测点较远的位置锤击构件，从而使得整体结构产生微小的振动，再捕捉敲击在结构中传播的振动信号。每一个测点在每一次测量中可监测到12组数据，通过多点、多次、多频率的测定，以保证所采样的充足性。而后，又通过3年长期监测分析出结构同一部位自振频率随着时间的变化而产生的频率变化，以此来分析结构的退化程度和损伤。

4 测量结果分析

测得数据为加速度样本数据，通过对加速度样本数据进行傅里叶变换，可得到功率谱密度函数，通过功率谱密度图像，东西两罩棚在三年间测得频率如图6、图7所示。

图6 东罩棚自振频率

图7 西罩棚自振频率

根据功率谱密度图像可知，东西两罩棚2018年7月、2019年7月与2020年10月所测得自振频率基本保持不变，西罩棚自振频率为0.865Hz，东罩棚自振频率为0.83Hz。

为了更好地分析结构退化程度，我们需要和结构初始自振频率相比较，由于主体育场建成后未进行自振频率的测定，所以无法得知结构初始自振频率，因此只能通过对sap2000软件中所建立的体育场模型进行模拟，得出理论频率。

通过实测频率与理论频率的对比我们可知2018年～2020年结构自振频率和理论频率的对比如下表所示。

东西罩棚频率对比

5 结论

①根据该结构所制定的监测方案是切实可行的，可以较为准确地测量出结构的自振频率。

②西罩棚当前最小自振频率为0.865Hz，和理论频率相比退化程度为24.7%。东罩棚当前自振频率为0.83Hz，和理论频率相比退化程度为19.2%。

③从数据来看，东西两罩棚均有着一定的退化程度，但通过三年的连续观测可知，结构的退化程度并没有出现明显的加大趋势，可推测该结构在建成十年后内部应力的分布发展已经趋于稳定。