孟慶峰 朱東新 莫靜琳 劉 東 晏金山
(1. 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙市 410014;2. 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007;3. 湖南省高速公路管理局湘西管理處 吉首市416000;4.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 長(zhǎng)沙市 410008)
結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一般包括結(jié)構(gòu)自振頻率、振型及阻尼等。它是結(jié)構(gòu)所固有的特性,能準(zhǔn)確反映出結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能[1~3]。而對(duì)于工程結(jié)構(gòu),容易實(shí)現(xiàn)和測(cè)量的恰是結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和物理參數(shù)[4],進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能、判別結(jié)構(gòu)損傷的方法即為結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)方法可不受結(jié)構(gòu)規(guī)模和隱蔽部位的限制,只要在可接觸到的結(jié)構(gòu)部位安裝動(dòng)力響應(yīng)傳感器即可[5]。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)測(cè)試分析了一根從服役30年的房屋結(jié)構(gòu)上拆除下來(lái)的一塊預(yù)制板的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性(自振頻率、振型及阻尼),通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果判明了其總體結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)在力學(xué)性能。
試驗(yàn)測(cè)試構(gòu)件為某房屋結(jié)構(gòu)預(yù)制板,板長(zhǎng)340 cm,寬46 cm,厚12 cm,板內(nèi)有預(yù)留直徑為7.5 cm的圓形孔洞4 個(gè),等間距布置。
通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)分析該預(yù)制板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性(自振頻率、振型及阻尼)、判斷其總體結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)在力學(xué)特性[6]。試驗(yàn)主要內(nèi)容包括:結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè);結(jié)構(gòu)振型檢測(cè)。試驗(yàn)所需主要儀器設(shè)備為:振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)CRAS7.0;941B 型加速度傳感器等。
結(jié)構(gòu)在外部激振影響下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。測(cè)量結(jié)構(gòu)上的這種微小隨機(jī)響應(yīng)信號(hào),通過(guò)頻譜分析可以得出該預(yù)制板的自振頻率和振型等動(dòng)力特性。試驗(yàn)擬利用導(dǎo)納法來(lái)測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,導(dǎo)納法測(cè)量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性已經(jīng)被多次證明是適合于較低頻結(jié)構(gòu)測(cè)試的方法[7]。
加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置一般按照結(jié)構(gòu)振型形狀,在變位較大的部位布置測(cè)點(diǎn),盡可能避開(kāi)各階振型的節(jié)點(diǎn)[8]。因此事先理論計(jì)算了結(jié)構(gòu)前3 階振型的形狀,并依此布置結(jié)構(gòu)上的測(cè)點(diǎn)位置,結(jié)果共設(shè)置了18 個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1 所示)。試驗(yàn)采用單點(diǎn)移動(dòng)測(cè)試技術(shù)與模態(tài)合成技術(shù)相結(jié)合,固定一個(gè)測(cè)點(diǎn)(固定第14 號(hào)測(cè)點(diǎn))移動(dòng)另一個(gè)測(cè)點(diǎn),通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集與分析獲取全結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息[9]。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)擬采集結(jié)構(gòu)的加速度,通過(guò)在固定測(cè)點(diǎn)處設(shè)置的豎向941B 型傳感器采集。微小的結(jié)構(gòu)加速度信號(hào)通過(guò)低通濾波放大器(AZ804)濾波放大,然后由數(shù)據(jù)采集箱(AZ308)采集,最后通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的軟件分析,得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
圖1 預(yù)制板模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖
(1)測(cè)點(diǎn)頻域波形圖及頻譜圖。通過(guò)振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集到各測(cè)點(diǎn)的頻域波形曲線,為節(jié)省篇幅,圖2~圖5 給出了部分測(cè)點(diǎn)的頻域波形曲線。
圖2 測(cè)點(diǎn)4 頻域波形曲線
圖3 測(cè)點(diǎn)8 頻域波形曲線
圖4 測(cè)點(diǎn)12 頻域波形曲線
圖5 測(cè)點(diǎn)16 頻域波形曲線
通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)所采集到的各測(cè)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析,得到預(yù)制板全結(jié)構(gòu)的頻譜圖如圖6所示。
圖6 結(jié)構(gòu)頻譜圖
(2)自振頻率與振型。
①理論計(jì)算的自振頻率與振型。通過(guò)ANSYS建模計(jì)算[10-12],該預(yù)制板結(jié)構(gòu)的自振頻率如表1,相應(yīng)的理論振型如圖7 所示。從結(jié)構(gòu)振型圖7 可以看出,結(jié)構(gòu)第一階振型表現(xiàn)為沿Y 向(結(jié)構(gòu)豎向)的整體上下彎曲振動(dòng);第二階振型表現(xiàn)為沿Y 方向(結(jié)構(gòu)豎向)的反向?qū)ΨQ上下振動(dòng);第三階振型表現(xiàn)為Y 方向(結(jié)構(gòu)豎向)的3 波峰對(duì)稱上下振動(dòng)[13-15]。
表1 結(jié)構(gòu)理論自振頻率
圖7 結(jié)構(gòu)理論振型圖
圖8 一階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果-結(jié)構(gòu)整體一階對(duì)稱豎彎
圖9 二階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果-結(jié)構(gòu)二階反對(duì)稱豎彎
圖10 三階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果-結(jié)構(gòu)三階對(duì)稱豎彎
②實(shí)測(cè)的自振頻率與振型。由上述采集的各測(cè)點(diǎn)頻域波形圖,通過(guò)頻譜分析,可得出各階自振頻率如表2。前3 階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8~圖10 所示。
表2 結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振頻率
通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土預(yù)制板進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力模態(tài)測(cè)試分析,得到以下結(jié)論:
采用隨機(jī)振動(dòng)的導(dǎo)納測(cè)量方法,所得各階振動(dòng)模態(tài)分階清楚,且和理論振型較為吻合,說(shuō)明本試驗(yàn)所采用的測(cè)試方法是可行的,測(cè)試結(jié)果是可靠的。由模態(tài)試驗(yàn)實(shí)測(cè)基頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出,實(shí)測(cè)基頻略大于理論計(jì)算值,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度比理論剛度大,各部件整體性能較好。
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