劉 明 吉

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

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脈動(dòng)法在某框架—核心筒結(jié)構(gòu)安全性鑒定中的應(yīng)用

劉 明 吉

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

結(jié)合上海市某辦公樓的結(jié)構(gòu)特征，建立了該結(jié)構(gòu)的ETABS計(jì)算模型，并采用脈動(dòng)法對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了鑒定，將軟件計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作了對(duì)比，提高了結(jié)構(gòu)鑒定的準(zhǔn)確性。

辦公樓，框架—核心筒結(jié)構(gòu)，脈動(dòng)法，安全性

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的測(cè)試，目前主要采用脈動(dòng)測(cè)試的方法。來(lái)自地面車(chē)輛、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、地殼運(yùn)動(dòng)以及風(fēng)振等自然隨機(jī)干擾力作用，其能引起建筑結(jié)構(gòu)的微小振動(dòng)。利用信號(hào)放大器，記錄設(shè)備及高靈敏度的拾振器記錄結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)，利用隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，分析結(jié)構(gòu)物的自振周期、阻尼等動(dòng)力特性。它不需要利用額外的激振設(shè)備，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件不造成損傷，也不影響建筑物內(nèi)部正常使用，是一種簡(jiǎn)便而有效的測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法[1]。

1 結(jié)構(gòu)概況及計(jì)算模型

某辦公樓位于上海市黃浦區(qū)商業(yè)中心，為地下2層，地上36層的框架—核心筒結(jié)構(gòu)。該房屋于1988年設(shè)計(jì)，1997年建設(shè)完成后作為綜合性辦公樓使用至今。建筑總高度為115.5 m，總建筑面積近2.7萬(wàn)m2。房屋首層層高為6.0 m，其中在3.0 m處局部設(shè)有夾層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.1 m，房屋標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。因大廈房間功能進(jìn)行重新規(guī)劃布置，統(tǒng)一對(duì)大樓進(jìn)行整體改造。為了了解原結(jié)構(gòu)的安全性能，本文采用了脈動(dòng)法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。為了對(duì)比軟件計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本結(jié)構(gòu)整體模型采用結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS建立，模型如圖2所示。

2 脈動(dòng)法原理

脈動(dòng)法是通過(guò)測(cè)量建筑物在自然干擾力作用下產(chǎn)生的微小振動(dòng)，來(lái)分析結(jié)構(gòu)自振周期、阻尼等動(dòng)力特性的方法。由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程可知，多自由度結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型可由N階微分方程描述[2]：

(1)

對(duì)式(1)兩邊進(jìn)行Fourier變換，得：

X(w)=H(w)F(w)

(2)

其中,

(3)

自然界脈動(dòng)源其頻譜平坦，可將其輸入功率譜近似為常數(shù)，因此結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的頻譜特征與結(jié)構(gòu)反應(yīng)的頻譜特性一致。

頻響函數(shù)H(w)幅值為：

(4)

令：

有：

(5)

正常情況下，結(jié)構(gòu)阻尼比ζ很小(ζ≤0.1)，可簡(jiǎn)化為：w=w0。因此由曲線(xiàn)峰值所對(duì)應(yīng)的頻率可近似為結(jié)構(gòu)的自振頻率。

通過(guò)半功率點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的頻率值可確定結(jié)構(gòu)的阻尼比，即滿(mǎn)足方程：

(6)

方程的兩個(gè)解為：

(7)

(8)

則：

w2-w1=2ζw0

(9)

(10)

在結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測(cè)試中，高靈敏的拾振器以固定的采樣頻率實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)的速度、加速度或位移時(shí)程曲線(xiàn)。將采集的時(shí)程曲線(xiàn)進(jìn)行快速傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為頻率里的功率譜。這樣可以很容易地從功率譜的峰值點(diǎn)識(shí)別出結(jié)構(gòu)的自振頻率，采用半功率法還可以計(jì)算出相應(yīng)的阻尼比。

3 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

本次動(dòng)測(cè)目的是為了獲得大樓自振頻率、阻尼。根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論可知，結(jié)構(gòu)第一振型為與豎軸無(wú)交點(diǎn)且無(wú)拐點(diǎn)的曲線(xiàn)，第二振型與豎軸有一個(gè)交點(diǎn)且有一個(gè)拐點(diǎn)。為了在測(cè)量過(guò)程中，能夠測(cè)得第二振型曲線(xiàn)上的拐點(diǎn)及與豎軸的交點(diǎn)，正確反映振型曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)較密集，相鄰兩測(cè)點(diǎn)間不應(yīng)離得太遠(yuǎn)。因此本次測(cè)量將在每?jī)蓪硬贾糜袦y(cè)點(diǎn)，以保證動(dòng)測(cè)能夠較準(zhǔn)確反映房屋振型的變化形式，又不至于使測(cè)量工作太過(guò)繁瑣。每次按順序測(cè)試相鄰的三個(gè)樓面，分結(jié)構(gòu)橫向(東西方向、X向)和縱向(南北方向、Y向)分別測(cè)試，每輪測(cè)試中，有一個(gè)樓面與下一輪測(cè)試的一個(gè)樓面重復(fù)(測(cè)試從最高層開(kāi)始，由上往下測(cè)試)，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的連續(xù)和可比。動(dòng)測(cè)得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分時(shí)域波形見(jiàn)圖3，圖4；根據(jù)實(shí)測(cè)的時(shí)域波形經(jīng)過(guò)計(jì)算整理和傅里葉變換得到的部分自功率譜(頻域波形)見(jiàn)圖5，圖6；根據(jù)實(shí)測(cè)的時(shí)域波形整理、變換得到的部分幅值譜見(jiàn)圖7，圖8；根據(jù)實(shí)測(cè)波形獲得阻尼、周期識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖9，圖10。

4 測(cè)試過(guò)程分析

對(duì)動(dòng)測(cè)結(jié)果的時(shí)域波形進(jìn)行頻域分析后，所得結(jié)構(gòu)的自振頻率見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率

動(dòng)測(cè)結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)基本自振周期為1.786 s(1/0.56 Hz)，與GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]給定的一般按經(jīng)驗(yàn)公式推算的結(jié)構(gòu)自振周期值T1=0.06n=0.06×36=2.16 s有一定差異。根據(jù)ETABS計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較可知(見(jiàn)表1)，兩者在各階頻率之間均存在一定差異，頻率計(jì)算結(jié)果均比頻率實(shí)測(cè)結(jié)果小，即房屋的計(jì)算周期要大于實(shí)測(cè)周期。經(jīng)分析其主要原因如下：

1)脈動(dòng)法是通過(guò)拾取房屋在微弱環(huán)境振動(dòng)下的響應(yīng)而獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，因此結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)變形幅值很小，此時(shí)結(jié)構(gòu)混凝土材料的彈性模量接近原點(diǎn)切線(xiàn)模量，另外部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料強(qiáng)度高于原設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此這些原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)的混凝土彈性模量(E)增大，實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度比建模計(jì)算的結(jié)構(gòu)剛度大，因此結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)周期要短；

2)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)有部分圍護(hù)墻，填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度也有貢獻(xiàn)，而建模計(jì)算中未考慮這部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響；

3)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，房屋空無(wú)一人，并且室內(nèi)的家具、設(shè)備等重物均已移出屋外，因此檢測(cè)時(shí)房屋的實(shí)際重量要小于計(jì)算模型的重量，這也會(huì)導(dǎo)致房屋實(shí)測(cè)的頻率偏大。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析，結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)阻尼比介于2.8%～5.2%之間，平均為3.99%，屬正常，表明結(jié)構(gòu)整體上無(wú)明顯的損傷。

[1] 李 斌，盧文勝，沈劍浩，等.高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試實(shí)例分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22(2)：63-66.

[2] 李國(guó)強(qiáng)，李 杰.工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

The application of pulsating method in a frame-core tube structure safety identification

Liu Mingji

(ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupLimitedCompany,Shanghai200070,China)

Combining with the structural features of an office building in Shanghai, this paper established the ETABS calculation model of the structure, and using pulsating method identified the structure safety, compared the software calculation results and field data, improved the accuracy of structure identification.

office building, frame-core tube structure, pulsating method, safety

1009-6825(2017)14-0037-03

2017-03-08

劉明吉(1985- )，男，工程師

TU317

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