某框架结构办公楼的动力特性测试与分析.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-某框架结构办公楼的动力特性测试与分析吴小波（福建省建筑科学研究院350025）提要通过对一框架结构办公楼的脉动测试，在频域中进行参数识别获取结构的动力参数，并与理论计算结果进行比较分析，得出了一些在工程动测与结构计算分析中实用的结论。关键词框架结构；脉动法；动力测试；刚度；周期TestingandAnalysisofDynamicCharacteristicsofaRepresentativeFrameOffice-BuildingWuxiao-bo(FujianAcademyofBuildingResearch,fuzhou350025,China)Abstract:Throughthetestingofdynamiccharacteristicsofarepresentativeframestructure,thedynamicparametersofthisstructureareidentifiedinfrequencydomain.Attheend,theresultsoftestingandcomputingarecompared,andsomeappliedresultsareproposed.Keywords:framestructure；microtremorsmethod；vibrationtests；stiffness；vibrationperiod1引言目前对建筑结构进行动力特性试验以获取结构动力特性参数的方法主要有人工激振法和环境随机振动法两类。其中人工激振法又分为自由振动法和强迫振动法，自由振动法是借助外荷载使结构产生一定的初位移（或初速度），然后突然卸去荷载，结构便产生自由衰减振动，通过记录下的结构振动衰减曲线，根据结构动力学理论可以求出结构的自振周期和阻尼，因此通常又称它为“张拉释放法”；强迫振动法也称“共振法”，一般通过激振器对结构施加周期性的谐振动以获得结构的动力特性参数。人们在试验观测中发现，建筑结构由于受外界的干扰而经常处于微小而不规则的振动之中，通常将建筑结构所受的外界干扰称为环境振动；利用建筑物周围环境的微小振动（俗称脉动）作为激励而引起结构物的微幅振动反应，来测定分析结构物的动力特性的方法称之为脉动法。脉动法是结构动测中的一种常用方法，它不需用起振设备，又不受结构型式和大小的限制，简单易行。2结构动力特性的测试与参数的识别方法【1，2】结构模态参数的频域识别方法是基于结构传递函数或频率响应函数（简称频响函数）在频域内识别结构的固有频率、阻尼比和振型等模态参数的方法。将一个结构进行离散化处理后，其动态性能可由N阶矩阵微分方程描述：tfxKxCxM(1)对式(1)两边进行Fourier变换，得：FHXd(2)式中022021jmHd(3)dH称为结构的位移频响函数。对于输入源的频谱平坦，可近似为有限带宽的白噪声，这时由于输入功率谱为常数，结构频响函数的频谱特征与结构反应的频谱特征一致。以位移频响函数为例，由式(3)可知，频响函数H为复函数，其幅值为：20222021mH(4)令：0dHd；当20021有：220max121mH一般工程结构的阻尼比很小1.0，则：00，可见，由幅频特性曲线峰值所对应的频率可确定结构的自振圆频率。这种结构模态参数的方法同样适用于速度和加速度的频响函数。实际应用中结构自振频率的识别常依据结构-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-反应的自功率谱。但由于测量噪声和激励谱的影响，结构反应自功率谱的峰值处不一定是模态频率。可依据下列原则由结构反应频谱特征判别结构模态频率：（1）结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；（2）模态频率处各测点间的相干函数较大；（3）各测点在模态频率处具有同相位或反相位。运用结构动力响应互谱与自谱之比来确定振型，对于阻尼比较小、且频率间隔较大的结构效果较好，所幸一般工程结构都具有这一特点，因此该方法也比较实用。对实际的工程测试而言，在频域中识别结构物理参数的一个有利因素是可以通过测试获得的不完备信息条件识别得到结构系统的一些重要特征参数。3框架结构办公楼动力测试实例3.1建筑结构概况某疾病控制中心实验楼建于1977年，原设计为六层，实际建成七层钢筋混凝土框架结构，基础为整体筏板基础，建筑面积约5880m2，建筑为典型的内廊式办公楼，平面布置规则，结构纵横方向平面尺寸分别为56m，15m，建筑高度约为24m，结构平面布置详图1。图1实验楼结构平面布置示意图3.2动力特性测试方案及测试结果该建筑平面较为规则，选择在走廊中部沿二至七层布置纵横两个方向的拾振器，测试时间为中午下班时间，以避免人为的干扰噪声；现场采用50Hz的采样频率对结构的脉动速度反应进行约1小时的采样，抗混滤波器设置20Hz的低通滤波，数据采集仪16通道分别对应X方向二七层的速度反应，712通道分别对应Y方向二七层的速度反应,图2和图3分别为X、Y方向各通道的时域波形。图2X方向各楼层速度反应时域波形图3Y方向各楼层速度反应时域波形02E-124E-126E-128E-121E-111.2E-111.4E-111.6E-110123456789101112131415Hz互谱幅值3#6-1互谱幅值(m/s*m/s)3#6-2互谱幅值(m/s*m/s)3#6-3互谱幅值(m/s*m/s)3#6-4互谱幅值(m/s*m/s)3#6-5互谱幅值(m/s*m/s)3#6-6互谱幅值(m/s*m/s)图4X方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线02E-124E-126E-128E-121E-111.2E-110123456789101112131415Hz互谱幅值3#12-7互谱幅值(m/s*m/s)3#12-8互谱幅值(m/s*m/s)3#12-9互谱幅值(m/s*m/s)3#12-10互谱幅值(m/s*m/s)3#12-11互谱幅值(m/s*m/s)3#12-12互谱幅值(m/s*m/s)图5Y方向各楼层与7层速度反应的互谱曲线图2和图3所反映的楼层X、Y方向各通道的时域波形可以看出,随楼层的增加,结构的脉动反应呈放大趋势；对各楼层时域波形进行傅氏变换,以顶层质点作为参考,得到各楼层相对于顶层质点的互谱结果,具体见图4和图5,由图4和图5可以看出各层的互谱曲线均在结构的主频出现明显的波峰。根据各楼层互谱幅值进行振型拟合,结果见表1和表2.-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-表1X方向前2阶测试振型结果楼层第1阶f1=1.904Hz第2阶f2=5.614Hz振型7F(6#)10.3153812345678-2-10126F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F00表2Y方向前2阶测试振型结果楼层第1阶f1=2.002Hz第2阶f2=5.956Hz振型7F(6#)10.3153812345678-2-10126F(5#)0.86755-0.350965F(4#)0.65894-0.790384F(3#)0.49139-13F(2#)0.36225-0.840382F(1#)0.23444-0.498081F004实测结果与理论计算的分析比较4.1结构计算分析该工程为七层钢筋混凝土框架结构，平面布置规则，建筑各层高度分别为23.5m、53.4m，混凝土柱截面尺寸均为300400，混凝土强度为C20，采用SATWE程序对该结构进行计算，计算得到该楼两个方向前两阶振型和周期结果见表3表4，实测周期与计算周期的比较结果见表5。表3X方向计算振型结果楼层相对幅值振型1阶TX1=1.7509S2阶TX2=0.5810S71-1012345678-101相对幅值楼层/层60.958-0.64450.871-0.0340.7420.59430.5770.96920.3850.93510.1740.509000表4Y方向计算振型结果楼层相对幅值振型1阶TY1=1.4268S2阶TY2=0.4695S711012345678-1-0.500.51相对幅值楼层/层60.9770.63850.880.00640.743-0.62330.571-0.98820.374-0.93710.163-0.493000表5实测周期与计算周期的比较固有周期(秒)实测cT计算sTscTT方向阶次X1阶0.52521.69260.312阶0.17810.57690.31Y1阶0.49951.38300.362阶0.16790.46760.36由表5可以看出，框架结构的计算周期较实测周期偏大甚多，其中一个较主要的因素是，框架结构在计算中，通常抗侧力构件只考虑承重的框架柱遭受破坏前，尤其在脉动反应中，结构整体处于线弹性工作阶段，框架填充墙与框架协同工作且其提供的抗侧刚度很大，这是造成结构计算周期与实测值相比偏大的主要原因。5结语虽然填充墙能协同框架分担水平力，但不易计算。现行规范对框架结构的抗震计算通常采用不考虑填充墙的刚度和强度，只作为惯性重量集中到各楼层，以保证“进行结构抗震强度验算与所确定自振周期采取的计算简图相一致”，这一抗震设计方法是简单的，但须注意的是，对上重下轻（如底部空旷）的房屋，不宜随意把填充墙简化成惯性重量作用到框架上去，这样作容易使底层框架柱的实际剪力较多地超过不计上层填充墙时的计算剪力。从框架结构实测周期与计算周期的对比可以看出，填充墙在实际工作状况中的刚度贡献是客观存在的，在结构计算中虽然可采用不考虑填充墙刚-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-度和