常璐平 高洪健 屠念潯

【摘 要】利用激勵(lì)荷載作用下的動(dòng)力特性測(cè)試技術(shù)，對(duì)理論計(jì)算相對(duì)困難的實(shí)體模型進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)定首階自振頻率滿(mǎn)足舒適度要求，基于半功率點(diǎn)法對(duì)該結(jié)構(gòu)的阻尼比進(jìn)行簡(jiǎn)單分析的前提下，對(duì)不同激勵(lì)方式進(jìn)行探討，結(jié)果表明隨機(jī)激勵(lì)比等間隔激勵(lì)方式結(jié)果更加理想。

【關(guān)鍵詞】隔震樓梯 動(dòng)力特性測(cè)試 結(jié)構(gòu)基頻

0引言

實(shí)際工程中由于設(shè)計(jì)者只關(guān)注結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計(jì)，忽略對(duì)有外界激勵(lì)荷載較多的如橋梁和較大跨度樓梯等結(jié)構(gòu)中發(fā)生人-結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象，危害結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。剛度較差的結(jié)構(gòu)，規(guī)范CJJ69-5給出了舒適度標(biāo)準(zhǔn)，人行天橋的豎向自振頻率不小于3Hz。豎向自振頻率1-5Hz時(shí)，豎向振動(dòng)加速度小于等于0.043g。近年來(lái)，動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，尤其高層建筑和橋梁工程，利用脈動(dòng)測(cè)試技術(shù)可獲得精確度較高的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，對(duì)以后結(jié)構(gòu)體系的改造加固積累了重要的數(shù)據(jù)。

本文基于預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)建模復(fù)雜難以分析的情況下，對(duì)較大跨度并且附加隔震支座的鋼梯進(jìn)行明確激勵(lì)方式作用下的結(jié)構(gòu)基頻的測(cè)定，以利于進(jìn)一步施工。

1 工程簡(jiǎn)介

河北工業(yè)大學(xué)圖書(shū)館3層及4層間細(xì)腰部位端樓板之間的預(yù)制鋼樓梯（Q345）經(jīng)ANSYS建模如圖1.1所示，鋼梁上端與邊梁中預(yù)埋件連接并現(xiàn)澆成整體，下端采用兩隔震支座與箱形梯梁焊接。由于樓梯跨度達(dá)17.3m，對(duì)其進(jìn)行有限元建模分析時(shí)，網(wǎng)格劃分比較困難，一般計(jì)算機(jī)的配置難以滿(mǎn)足計(jì)算需求，故對(duì)該樓梯進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試。

圖 1.1 鋼樓梯ANSYS幾何模型

人行激勵(lì)頻率范圍步行情況下為1.6-2.4Hz，跑步2.0-3.5Hz，彈跳1.8-3.4Hz，靜止時(shí)身體擺動(dòng)為0.4-0.7Hz。由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，只有當(dāng)人行荷載的激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率較為接近并且激勵(lì)能量足夠的情況下，共振才有可能發(fā)生。

該工程鋼樓梯兩邊箱形梯梁寬0.25m，中間踏步及平臺(tái)板寬1.3m。由于其空間的局限性，行人密度較大且將下意識(shí)的保持同步，同步的可能性較大，所以有必要對(duì)其自振頻率進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)定

2.1 力錘

試驗(yàn)選用IH-05型（2KN）力錘，錘帽分為橡膠、硬塑和鋼幾種材質(zhì)，選用橡膠錘頭進(jìn)行單次敲擊，頻段內(nèi)的力譜曲線(xiàn)分布平緩，故選用該錘頭即滿(mǎn)足需求。

2.2 傳感器及采集儀

試驗(yàn)采用壓電式加速度傳感器，頻率范圍為0.5-5000Hz，最大橫向靈敏度比<5%，最大允許加速度1000m·s-2，由于試驗(yàn)所用力錘激勵(lì)能量較小，故采用該加速度傳感器滿(mǎn)足工程需求。采用TST5912兩通道動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)，通道1與力錘連接，通道2連接加速度傳感器。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

由于力錘激勵(lì)能量較小并且通道數(shù)少，本次試驗(yàn)為進(jìn)行樓梯的模態(tài)識(shí)別。在測(cè)量樓梯的自振頻率時(shí)，采用單點(diǎn)激勵(lì)、單點(diǎn)拾振的方法，測(cè)點(diǎn)布置如圖1.1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 一測(cè)點(diǎn)分析

在1點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，傳感器布置在鋼梯第一個(gè)平臺(tái)板位置，在平臺(tái)板上進(jìn)行敲擊。為了避免平臺(tái)板的自振頻率與整體結(jié)構(gòu)的自振頻率相混淆，首先對(duì)平臺(tái)板進(jìn)行ANSYS建模分析，得出平臺(tái)板的第一階自振頻率為173.46Hz，其一階振型如圖3.1所示。為模擬單人行走，激勵(lì)方式為等時(shí)間間隔（1.5s左右）的脈沖激勵(lì)。設(shè)置采樣頻率為100Hz，根據(jù)采樣定理，分析頻率在40H左右，在頻段范圍內(nèi)，避免平臺(tái)板自身基頻的干擾。采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次平滑后，其響應(yīng)信號(hào)的自譜及激勵(lì)與響應(yīng)的頻響函數(shù)分別見(jiàn)圖3.2-3.3所示。

圖3.1 平臺(tái)板首階振型圖

圖3.2 測(cè)點(diǎn)1響應(yīng)信號(hào)自功率譜密度函數(shù)

圖3.3 測(cè)點(diǎn)1激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)的頻響函數(shù)復(fù)制曲線(xiàn)

根據(jù)圖3.2，響應(yīng)信號(hào)的自譜中出現(xiàn)兩個(gè)較高峰值，為f=0.68Hz及f=6.45Hz，說(shuō)明該信號(hào)在兩頻點(diǎn)處功率值較高，根據(jù)圖3.3，頻響函數(shù)在分析頻率范圍內(nèi)存在f=6.45Hz處一個(gè)峰值。

3.2 二測(cè)點(diǎn)分析

在2點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，傳感器布置在鋼梯第二個(gè)平臺(tái)板位置，在平臺(tái)板旁第一個(gè)踏步板上進(jìn)行敲擊。為模擬多人行走時(shí)對(duì)鋼梯造成的激勵(lì)，激勵(lì)方式為時(shí)間間隔不等的隨機(jī)脈沖激勵(lì)，激勵(lì)力的時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3.4所示。

圖3.4 激勵(lì)力-時(shí)間變化曲線(xiàn)

采集數(shù)據(jù)經(jīng)多次平滑，其響應(yīng)信號(hào)的自功率譜密度函數(shù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.5所示。

圖3.5 測(cè)點(diǎn)2響應(yīng)信號(hào)自功率譜密度函數(shù)

由圖3.5可見(jiàn)，自譜中在f=6.45 Hz處存在一處峰值，相比于測(cè)點(diǎn)1分析結(jié)果中的圖3.2信號(hào)的自譜曲線(xiàn)在f=0.68Hz處的峰值消失，說(shuō)明激勵(lì)方式的不同會(huì)對(duì)響應(yīng)信號(hào)造成的影響。據(jù)圖3.2、3.3及3.5，確定該預(yù)制鋼樓梯的基頻問(wèn)6.45Hz。

4結(jié)果分析

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)，可以表明

1.該預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)附加隔震支座后滿(mǎn)足舒適度要求，由于測(cè)試階段預(yù)制樓梯表層的木板及扶手等附加質(zhì)量未安裝就位，勢(shì)必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基頻的降低，因此仍需對(duì)后期的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試；

2. 激勵(lì)方式的不同會(huì)對(duì)響應(yīng)信號(hào)造成的影響，采用隨機(jī)脈沖比等時(shí)間間隔的脈沖激勵(lì)方式獲得的識(shí)別結(jié)果更加精確，頻譜更加平緩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白國(guó)梁，李紅星，陳愛(ài)國(guó) 廠房動(dòng)力特性測(cè)試及加固效果評(píng)估 [J]. 世界地震工程， 2003，19（2）：51-57.

[2] 陳志鵬， 王綱. 天津電視塔動(dòng)力特性的實(shí)測(cè)研究 [J]. 特種結(jié)構(gòu)， 1996， 13（4）： 45-48.

[3] 陳志鵬，寶志雯，王宗綱. 京廣中心大廈鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的測(cè)試與分析[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 1992， （2）： 36-39.

[4] H. Bachman， A.J. Pretlove， H. Rainer， Dynamic forces from rhythmical human body motions， in： Vibration Problems in Structures： Practical Guidelines， Birkha”user， Basel，1995，Appendix G.