田昱峰

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

1 工程概況

某高層商住樓主體結(jié)構(gòu)為地下1層，地上17層的鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為56.45 m，裙樓結(jié)構(gòu)為地下1層，地上3層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該高層商住樓主體結(jié)構(gòu)于2006年年底開工建設(shè)，在施工階段經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該樓主體及裙樓－1層～6層結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際承載力顯著下降。為此，對(duì)混凝土梁采用粘鋼加固，對(duì)混凝土柱采用加大截面法和外包型鋼法加固，對(duì)混凝土剪力墻采用加大截面法(墻肢延長(zhǎng)及墻體加厚)及混凝土筏板基礎(chǔ)加厚進(jìn)行加固。加固工程完工后，又繼續(xù)施工完成了7層以上主體結(jié)構(gòu)。本文通過對(duì)該樓加固后結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)該樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)整體性能進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程及結(jié)果

2.1 建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試方法

現(xiàn)場(chǎng)采用環(huán)境脈動(dòng)法測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。環(huán)境脈動(dòng)試驗(yàn)是利用高靈敏度的傳感器、放大記錄設(shè)備、借助于隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用環(huán)境脈動(dòng)激勵(lì)量測(cè)建筑物的響應(yīng)，分析確定建筑的動(dòng)力特性的一種有效而簡(jiǎn)便的方法。測(cè)試設(shè)備為INV-6智能信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)和891-Ⅱ型拾振器。利用該套測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境脈動(dòng)試驗(yàn)，可順利完成測(cè)試數(shù)據(jù)從采集、濾波、時(shí)域到頻域轉(zhuǎn)換的全過程，從測(cè)試數(shù)據(jù)中判別出結(jié)構(gòu)的各階自振頻率，根據(jù)實(shí)測(cè)的自振頻率測(cè)得結(jié)構(gòu)的振型。測(cè)試系統(tǒng)示意圖見圖1。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程

將每一樓層作為一個(gè)集中質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)來考慮，在每一樓層的地板上布置測(cè)點(diǎn)，安放傳感器。環(huán)境脈動(dòng)測(cè)試在夜間進(jìn)行(晚22:00～次日7:00)，對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行水平方向(橫向和縱向)振型及扭轉(zhuǎn)振型的測(cè)試。首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)水平方向(橫向和縱向)上結(jié)構(gòu)振型的測(cè)試。在結(jié)構(gòu)各層樓板形心擺放好傳感器后，連接好導(dǎo)線，接通測(cè)試儀器設(shè)備，開始測(cè)試。開啟設(shè)備及測(cè)試軟件后，進(jìn)行示波，對(duì)示波波形進(jìn)行歸一化調(diào)試后，開始采樣，每次采樣時(shí)間為20 min，采樣完畢后自動(dòng)保存。每個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)行結(jié)構(gòu)縱、橫兩個(gè)方向上的測(cè)試，一次測(cè)量完成后，基準(zhǔn)點(diǎn)的傳感器不動(dòng)，其他傳感器按照事先計(jì)劃好的順序調(diào)整位置，重新擺放，開始第二次測(cè)量，直到該組測(cè)試工作完成。然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型的測(cè)試，進(jìn)行結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型測(cè)試時(shí)只是傳感器擺放位置不同于結(jié)構(gòu)水平方向振型測(cè)試，其余過程同上述。

結(jié)構(gòu)平面上測(cè)試點(diǎn)位置見圖2。測(cè)試時(shí)在每層均布置測(cè)點(diǎn)，且在每一個(gè)量測(cè)層中，各測(cè)點(diǎn)位置均相同。

2.3 測(cè)試結(jié)果

表1給出了加固后結(jié)構(gòu)前3階的模態(tài)頻率和阻尼實(shí)測(cè)值。

2.4 結(jié)果分析

表1 采用不同方法得到的結(jié)構(gòu)自振周期及頻率

由結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型曲線可看出，底部3層結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)響應(yīng)較小，4層及4層以上各層結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)響應(yīng)較大，在4層交界處可明顯看出存在響應(yīng)突變，4層及4層以上各層結(jié)構(gòu)振型曲線連續(xù)，略有突變，不是十分光滑。實(shí)測(cè)振型曲線的形式較真實(shí)的反映了該樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的目前情況，結(jié)構(gòu)底部3層為帶裙樓的大底盤結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量及結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度明顯大于上部主體結(jié)構(gòu);4層～8層結(jié)構(gòu)的填充墻已經(jīng)施工完畢，樓層的質(zhì)量和剛度相對(duì)9層及9層以上尚未進(jìn)行填充墻施工的樓層均為大;而9層樓面和10層樓面上堆放了大量的建筑材料，改變了該兩層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。高層商住樓現(xiàn)場(chǎng)各層實(shí)際存在的剛度突變和質(zhì)量突變都將不可避免的在結(jié)構(gòu)振型曲線上反映出來。

3 高層商住樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

本文采用有限元程序Midas的前處理模塊，根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料參數(shù)，建立結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)有限元分析，得到結(jié)構(gòu)自振頻率、周期及振型曲線圖等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的理論解。采用Midas軟件建立的結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3。

表1給出了結(jié)構(gòu)前3階水平橫向、水平縱向及扭轉(zhuǎn)的自振周期和頻率的理論解。結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。當(dāng)非承重墻體為填充磚墻時(shí)，對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算周期自振折減系數(shù)可取0.7～0.8，考慮到目前結(jié)構(gòu)填充墻體尚未施工完畢，不宜折減過多，故折減系數(shù)取0.8。

4 高層商住樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)工作性能分析

由表1數(shù)據(jù)對(duì)比可知，兩種方法得到的結(jié)構(gòu)自振周期與頻率雖不盡相同，但差別不大，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型同理論計(jì)算振型基本相符。由于理論計(jì)算過程中，要先確定計(jì)算簡(jiǎn)圖和結(jié)構(gòu)剛度，而實(shí)際結(jié)構(gòu)往往是比較復(fù)雜的，計(jì)算簡(jiǎn)圖都要經(jīng)過簡(jiǎn)化，通常像填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件并不計(jì)入結(jié)構(gòu)剛度，而且結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、材料的實(shí)際性能、施工質(zhì)量等都難以非常精確地計(jì)算。因此理論計(jì)算求得的結(jié)構(gòu)自振頻率與實(shí)際結(jié)構(gòu)的自振頻率是存在一定誤差的。

該結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向(水平橫向與水平縱向)的實(shí)測(cè)自振周期(頻率)較為接近，滿足結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近的原則。對(duì)于A級(jí)高度高層建筑，其以結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與以平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比不應(yīng)大于0.9，由Midas給出的結(jié)構(gòu)自振周期值(折減后)經(jīng)計(jì)算，該比值不大于0.9。由實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)自振周期值經(jīng)計(jì)算，該比值略大于0.9，但考慮到測(cè)試時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)際的質(zhì)量與剛度分布情況，待結(jié)構(gòu)完成全部施工后，該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率與平移振動(dòng)頻率會(huì)相差更大，滿足該比值?？傮w上看，結(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)仍以縱、橫兩個(gè)方向的水平振動(dòng)為主。

結(jié)構(gòu)理論計(jì)算周期、實(shí)測(cè)周期與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算周期三者較為接近，說明經(jīng)加固施工后的該高層商住樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)具有一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)有的質(zhì)量和剛度分布。現(xiàn)有整體結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型曲線總體連續(xù)，突變較大處為裙樓與主樓交接部位(由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，這一情況是無法避免的)，主樓上部結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型曲線較為連續(xù)、均勻，存在的小突變與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況(主要是填充墻的施工進(jìn)度)有關(guān)，待施工完畢后，此情況必有改觀?？傮w上看，該樓加固后結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件工作性能較好，實(shí)際結(jié)構(gòu)整體性、剛度及質(zhì)量的分布情況亦較好。

5 結(jié)語(yǔ)

高層商住樓加固后結(jié)構(gòu)整體性實(shí)測(cè)振型曲線總體連續(xù)，抗側(cè)力構(gòu)件工作性能較好，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布符合一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)有的質(zhì)量和剛度分布規(guī)律，經(jīng)加固施工后的結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)使用要求。

[1]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB 50010-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].