姚澤良， 白國(guó)良， 黨發(fā)寧， 令狐恬晶， 祁亞倫

（1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 西安，710048）

（2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 西安，710055）

（3.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安，710048）

引 言

大型火電廠空冷系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由A 型架、鋼平臺(tái)和管柱3 部分組成［1-2］。A 型架由10~15 m 高的三角形鋼支架組成，用于安裝重達(dá)萬(wàn)噸的空冷設(shè)備。鋼平臺(tái)由4~8 m 高的縱向和橫向鋼桁架交叉構(gòu)成，其跨度為24~28 m，懸挑為12~15 m，平臺(tái)內(nèi)部懸掛有數(shù)十臺(tái)低頻率轉(zhuǎn)動(dòng)的大尺寸風(fēng)機(jī)（半徑為4.5~5.0 m）。結(jié)構(gòu)下部為多根大尺寸薄壁鋼筋混凝土管柱，管柱高為30~40 m，半徑為1.5~2.0 m，壁厚為0.3~0.5 m。因工藝要求，該類(lèi)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度集中在上部，表現(xiàn)出上剛下柔的“高腳雞腿式”獨(dú)特體型，其跨度和懸挑均較大，受力復(fù)雜，目前對(duì)其動(dòng)力問(wèn)題研究仍存在不足［3］。

開(kāi)展結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)激勵(lì)、地震作用及風(fēng)載效應(yīng)等動(dòng)荷載響應(yīng)研究前均需要先確定出實(shí)際結(jié)構(gòu)的周期、頻率、振型及振幅等自振特性［4-6］。確定結(jié)構(gòu)自振性能參數(shù)的方法主要有數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。近年來(lái)，學(xué)者們?cè)谀承┨厥饨Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力性狀研究方面取得了許多成果［7-13］。周云等［7］對(duì)兩棟高層建筑進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，并采用Perform-3D 軟件分別建立了3 種模型，運(yùn)用獲得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了模型修正。高延安等［8］采用自然環(huán)境激勵(lì)法對(duì)古建筑進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試，獲得了結(jié)構(gòu)自振頻率等動(dòng)力特性參數(shù)。陳艷明等［9］基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了下沉式地鐵車(chē)輛段內(nèi)列檢庫(kù)振源特性和振動(dòng)傳播規(guī)律。華一唯等［10］基于現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性測(cè)試結(jié)果對(duì)南京鼓樓建筑的有限元計(jì)算模型進(jìn)行了修正。閆培雷等［11］對(duì)典型高層建筑結(jié)構(gòu)的基本自振周期進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和回歸數(shù)值分析。徐璐等［12］研究了大型冷卻塔的自振頻率估算方法及擬合優(yōu)度。文獻(xiàn)［10-13］表明，在結(jié)構(gòu)自振性能模擬計(jì)算中，計(jì)算模型常簡(jiǎn)化或忽略非承重構(gòu)件和局部構(gòu)造等細(xì)部，構(gòu)建的模型難以完全反映結(jié)構(gòu)原型的實(shí)際構(gòu)成和材料性能，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大差異。為了掌握大型火電廠空冷主體結(jié)構(gòu)的真實(shí)動(dòng)力特性，有必要對(duì)其自振性能開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)試驗(yàn)研究。

筆者選取山西河津電廠A 型架-鋼平臺(tái)-管柱結(jié)構(gòu)體系，利用測(cè)振儀分別對(duì)設(shè)備激勵(lì)下該結(jié)構(gòu)體系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、豎向振動(dòng)和水平振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用DASP 程序?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)域響應(yīng)分析和自譜響應(yīng)分析，并結(jié)合ANSYS 計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)研究了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)、橫向位移、縱向位移、豎向位移、變形、轉(zhuǎn)角、振型及頻率等關(guān)鍵動(dòng)力性能指標(biāo)。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

山西省河津大型火電廠空冷系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)為A 型架-鋼平臺(tái)-管柱結(jié)構(gòu)體系，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該結(jié)構(gòu)體系由1 號(hào)和2 號(hào)兩個(gè)完全相同的單元結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)組成（兩單元中間斷開(kāi)，間距為9.51 m），每個(gè)單元均為單跨、四邊懸挑結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)尺寸為22.80 m×26.64 m，其中南北向（橫向）為4×12.465 m，東西向（縱向）為6×12.165 m。結(jié)構(gòu)頂部為高13.2 m 的A形架，上部為高8.9 m 的空間交叉桁架構(gòu)成的鋼平臺(tái)，下部為高32 m 的鋼筋混凝土管柱。鋼桁架為寬翼緣H 型鋼，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，縱筋均采用HRB400 級(jí)。由于工藝需要，鋼桁架內(nèi)安裝了24 臺(tái)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)的大直徑風(fēng)機(jī)（直徑為9.14 m）。因該結(jié)構(gòu)1 號(hào)單元和2 號(hào)單元平面完全對(duì)稱(chēng)，選取1 號(hào)單元進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)原理

結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能試驗(yàn)方法主要有共振法、自由振動(dòng)法和脈動(dòng)法。共振法采用專(zhuān)有激振設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試而求得結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)；自由振動(dòng)法通過(guò)特定手段測(cè)試得到結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)衰減曲線(xiàn)，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力參數(shù)；脈動(dòng)法利用周?chē)匀画h(huán)境的微小激勵(lì)測(cè)試出結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，該方法不需專(zhuān)門(mén)激振器，不受結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小的限制，多用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。根據(jù)以上試驗(yàn)方法特點(diǎn)并考慮A 型架-鋼平臺(tái)-管柱結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，選用脈動(dòng)法對(duì)該結(jié)構(gòu)的自振性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

脈動(dòng)法假定輸入和響應(yīng)均為各態(tài)歷經(jīng)的過(guò)程，并假定脈動(dòng)信號(hào)為白噪聲。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)譜曲線(xiàn)為白譜或包含白譜且在半功率帶寬內(nèi)相對(duì)平坦時(shí)，諧振幅值響應(yīng)被認(rèn)為與純模態(tài)響應(yīng)時(shí)一致，此時(shí)振幅譜曲線(xiàn)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率即為結(jié)構(gòu)固有頻率，同一固有頻率處測(cè)點(diǎn)振幅峰值的相對(duì)大小為結(jié)構(gòu)固有振型。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)采用國(guó)家地震局研發(fā)的測(cè)振儀（891-Ⅱ型，頻率為0.5~100 Hz），該設(shè)備包括6 個(gè)磁電式拾振器、1 臺(tái)信號(hào)放大器和一套基于DASP 程序的信號(hào)采集處理系統(tǒng)（INV306 型）。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的特征，設(shè)計(jì)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（3 個(gè)測(cè)點(diǎn)）、豎向振動(dòng)（3 個(gè)測(cè)點(diǎn)）和水平振動(dòng)（5 個(gè)測(cè)點(diǎn)）3 類(lèi)試驗(yàn)工況。其中，扭轉(zhuǎn)和水平工況均測(cè)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向和縱向兩個(gè)正交水平方向的振動(dòng)信號(hào)，試驗(yàn)中先測(cè)橫向振動(dòng)，之后把拾振器均同方向旋轉(zhuǎn)90°后再測(cè)縱向振動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中記錄風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，在數(shù)據(jù)分析處理時(shí)剔除風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)影響。

本 次 測(cè) 試 時(shí) 間 為2020 年10 月16 日09：00 至17：00，溫度為20 C°，風(fēng)速為1.5 m/s，在風(fēng)機(jī)正常工作條件下進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)各拾振器獲取的信號(hào)進(jìn)行采集、量化和存儲(chǔ)，利用DASP 程序?qū)Λ@得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析和自譜分析。為提高精度和獲得穩(wěn)定結(jié)果，筆者將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均化處理。經(jīng)傳遞函數(shù)和功率譜分析，得出試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)振幅譜曲線(xiàn)。

2 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

2.1 扭轉(zhuǎn)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)某處扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的大小與其到扭轉(zhuǎn)中心的距離有關(guān)，離扭轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)，其扭轉(zhuǎn)振動(dòng)越大。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)的基本原理是：先利用拾振器獲得結(jié)構(gòu)特征位置處的水平振動(dòng)位移幅值（橫向和縱向），再根據(jù)實(shí)際拾振器的布置情況，選出合適的位置作為計(jì)算基點(diǎn)，計(jì)算分析出各測(cè)點(diǎn)水平振動(dòng)幅值之間的角度差值或者比值，來(lái)分析結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)情況。通常情況下，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)試驗(yàn)把拾振器設(shè)計(jì)在建筑物的兩側(cè)、四角等特征位置，拾振器之間保證有一定的距離。

基于以上要求，并考慮1 號(hào)單元結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)情況，在該結(jié)構(gòu)鋼桁架平臺(tái)頂部的兩個(gè)角部懸挑端和柱中懸挑處設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)用于測(cè)試結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況，共設(shè)置了3 個(gè)拾振器（圖1），即測(cè)點(diǎn)1，2，3 分別布置在結(jié)構(gòu)鋼桁架平臺(tái)頂部東北角、東南角及南懸挑邊的中點(diǎn)。

2.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)果分析

對(duì)扭轉(zhuǎn)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了拾振器橫向和縱向布置時(shí)的振動(dòng)測(cè)試。圖2，3 分別為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)域分析和譜分析曲線(xiàn)，由圖可知：不同測(cè)點(diǎn)橫向和縱向振動(dòng)響應(yīng)波形均不一致，表明測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)與其位置有關(guān)；同一測(cè)點(diǎn)橫向和縱向峰值發(fā)生時(shí)刻不一致，說(shuō)明橫向和縱向動(dòng)力性能不同。

圖2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)域分析Fig.2 Time domain analysis of torsion vibration

圖3 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)譜分析Fig.3 Spectrum analysis of torsion vibration

根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置的情況，以不同測(cè)點(diǎn)為基點(diǎn)計(jì)算分析了測(cè)點(diǎn)位移、相對(duì)轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)動(dòng)角度差。當(dāng)拾振器橫向布置時(shí)，選擇測(cè)點(diǎn)3 為基點(diǎn)，比較測(cè)點(diǎn)2 和3的位移，計(jì)算分析了測(cè)點(diǎn)2 繞測(cè)點(diǎn)3 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和方向。當(dāng)拾振器縱向布置時(shí)，以測(cè)點(diǎn)1 為基點(diǎn)，比較測(cè)點(diǎn)2 和1 的位移，計(jì)算分析測(cè)點(diǎn)2 繞測(cè)點(diǎn)1 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和方向。扭轉(zhuǎn)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比如表1 所示，其中：橫向轉(zhuǎn)角1 為T(mén)an-1［（點(diǎn)2，3 位移差）/48 000］；橫向轉(zhuǎn)角2 為T(mén)an-1［（點(diǎn)1，3 位移差）/48 000］；縱向轉(zhuǎn)角1 為T(mén)an-1［（點(diǎn)2，1 位移差）/50 000］；縱向轉(zhuǎn)角2 為T(mén)an-1［（點(diǎn)3，1 位移差）/50 000］；橫向轉(zhuǎn)角差為點(diǎn)2和點(diǎn)1 繞測(cè)點(diǎn)3 的轉(zhuǎn)動(dòng)角度差；縱向轉(zhuǎn)角差為點(diǎn)2 和點(diǎn)3 繞測(cè)點(diǎn)1 轉(zhuǎn)動(dòng)角度之差。

表1 扭轉(zhuǎn)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比Tab.1 Displacement comparison on torsion tested points

由表1 可知，拾振器橫向或縱向布置時(shí)，結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了較小轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明存在整體扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。拾振器橫向布置時(shí)結(jié)構(gòu)最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為1.19×10-4（°），拾振器縱向布置時(shí)最大轉(zhuǎn)動(dòng)角為7.19×10-5（°），說(shuō)明橫向扭轉(zhuǎn)比縱向大。點(diǎn)2、點(diǎn)1 相對(duì)點(diǎn)3 的橫向轉(zhuǎn)角差為-1.07×10-5~1.44×10-6（°）；點(diǎn)2、3 相對(duì)點(diǎn)1 的縱向轉(zhuǎn)角差為-9.93×10-7~1.73×10-5（°），測(cè)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)角差值均較小，其最大轉(zhuǎn)動(dòng)差值為1.73×10-5，說(shuō)明結(jié)構(gòu)自身存在變形，但變形較小。

3 結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)測(cè)試

由于生產(chǎn)工藝的要求，結(jié)構(gòu)頂部安裝有昂貴的空冷設(shè)備，其對(duì)結(jié)構(gòu)鋼桁架平臺(tái)的平整性有嚴(yán)格要求。為了保證電廠安全生產(chǎn)，需要掌握該類(lèi)結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)位移，確?？绽湓O(shè)備正常運(yùn)行。

3.1 豎向測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)豎向振動(dòng)試驗(yàn)的目的并考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，豎向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的一側(cè)懸挑及柱中懸挑部位，共布置了3 個(gè)拾振器。筆者將豎向工況測(cè)點(diǎn)1，2，3 均布置在結(jié)構(gòu)鋼桁架平臺(tái)頂部南懸挑邊，其中測(cè)點(diǎn)1 在距離鋼桁架頂部西南角28 m 處，測(cè)點(diǎn)2 位于鋼桁架頂部西南角，測(cè)點(diǎn)3 位于距離鋼桁架頂部西南角48 m 處，豎向測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。

圖4 豎向測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）Fig.4 Tested points arrangement of vertical vibration(unit:m)

3.2 豎向振動(dòng)結(jié)果分析

為了研究結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)位移，分別對(duì)豎向測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了3 組振動(dòng)試驗(yàn)。對(duì)各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)域分析、自譜分析以及測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形波峰、波谷、峰峰值（波峰與波谷之差）的統(tǒng)計(jì)分析。豎向測(cè)點(diǎn)時(shí)域分析和譜分析如圖5 所示，豎向時(shí)域波形對(duì)比分析如表2 所示。

表2 豎向時(shí)域波形對(duì)比分析Tab.2 Time domain wave analysis of vertical vibration mm

由圖5 可知，各測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)波形由于所處位置不同而不同。測(cè)點(diǎn)2 位于結(jié)構(gòu)的懸挑端角部，此處豎向振動(dòng)幅度最大；測(cè)點(diǎn)3 的豎向振動(dòng)幅度比測(cè)點(diǎn)1 大，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)3 到東南角的距離（24.99 m）小于測(cè)點(diǎn)1 到西南角的距離（28 m）?？梢?jiàn)，測(cè)點(diǎn)離懸挑端角部越近，豎向振動(dòng)幅度越大。根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)最大豎直向上振動(dòng)位移為0.175 7 mm，最大豎直向下振動(dòng)位移為0.150 56 m，最大豎向振動(dòng)位移均發(fā)生在測(cè)點(diǎn)2 處，其相應(yīng)的最大峰峰值為0.326 26 mm，表明結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)位移較小，能滿(mǎn)足鋼桁架平臺(tái)平整要求。

4 結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)測(cè)試

4.1 水平測(cè)點(diǎn)布置

布置水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)應(yīng)考慮以下原則：水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)一般布置在結(jié)構(gòu)的剛度中心，以減少或避免結(jié)構(gòu)自身扭轉(zhuǎn)的干擾，便于儀器捕捉平移振動(dòng)信號(hào)；在結(jié)構(gòu)剛度突變、質(zhì)量突變等特征處應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)常與結(jié)構(gòu)突變緊密相關(guān)；測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離局部振動(dòng)部位以避免振動(dòng)信號(hào)失真。

基于以上布置原則并結(jié)合結(jié)構(gòu)特征，在A 型架+鋼桁架+管柱結(jié)構(gòu)B1 柱的A 型架頂（54.1 m）、鋼桁架頂（40.9 m）、柱頂（32.0 m）、柱中（14.2 m）和柱底各特征高度處分別布置了5 個(gè)水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，水平測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 水平測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）Fig.6 Tested points arrangement (unit:m)

4.2 水平測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)各測(cè)點(diǎn)分別進(jìn)行了拾振器橫向和縱向布置的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在正常生產(chǎn)條件下進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)記錄的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為72 r/min，即轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為1.2 Hz。水平振動(dòng)時(shí)域分析和譜分析分別如圖7，8 所示。根據(jù)自譜圖形，得到各測(cè)點(diǎn)自譜分析波形峰值及頻率。水平振動(dòng)自譜分析峰值如表3 所示。

表3 水平振動(dòng)自譜分析峰值Tab.3 Spectrum analysis peak of horizontal vibration

圖7 水平振動(dòng)時(shí)域分析Fig.7 Time domain analysis of horizontal vibration

由圖7 可知：各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)反應(yīng)由于所處位置不同而不同，同一測(cè)點(diǎn)南北向和東西向峰值沒(méi)有同步出現(xiàn)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)南北向和東西向的自振特性不同，與2.2 節(jié)中扭轉(zhuǎn)測(cè)試結(jié)果吻合。

由圖8 可知：0.74 Hz 時(shí)各測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)反應(yīng)曲線(xiàn)均出現(xiàn)第1 個(gè)譜幅值；0.80 Hz 時(shí)各測(cè)點(diǎn)縱向振動(dòng)反應(yīng)曲線(xiàn)均出現(xiàn)第1 個(gè)譜幅值；1.18 Hz 時(shí)各測(cè)點(diǎn)縱向振動(dòng)反應(yīng)曲線(xiàn)均出現(xiàn)第2 個(gè)譜幅值，且為各測(cè)點(diǎn)的縱向最大位移幅值，其主要原因是該頻率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近，說(shuō)明采樣頻率受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)影響較大。根據(jù)自譜分析結(jié)果，并考慮現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，確定結(jié)構(gòu)第1 階頻率為0.74 Hz，第2階頻率為0.80 Hz，第3 階頻率為1.18 Hz。

由表3 可知：柱底測(cè)點(diǎn)5 縱橫向位移在2.08×10-4~8.28×10-5mm；柱中測(cè)點(diǎn)4 縱橫向位移在0.004 0~0.016 4 mm，與測(cè)點(diǎn)5 相比，位移增加最大約為94%；柱頂測(cè)點(diǎn)3 縱橫向位移在0.015 0~0.049 7 mm，與測(cè)點(diǎn)4 相比，位移增加最大約為206%；鋼桁架頂測(cè)點(diǎn)2 縱橫向位移在0.011 2~0.051 2 mm，與測(cè)點(diǎn)3 相比，位移增加最大約為11%；A 型架頂測(cè)點(diǎn)1 縱橫向位移在0.013 8~0.052 3 mm，與測(cè)點(diǎn)2 相比，位移增加最大約為2%。因此可見(jiàn)，測(cè)點(diǎn)位移隨著點(diǎn)布置高度增加而呈現(xiàn)不同程度的增加，最大位移發(fā)生在A 型架頂，其值為0.052 3 mm。

根據(jù)同一固有頻率處各測(cè)點(diǎn)振幅譜圖的峰值可確定出固有振型幅值的相對(duì)大小，圖9 為實(shí)測(cè)振型圖。由圖可知，結(jié)構(gòu)前2 階實(shí)測(cè)振型接近，表明結(jié)構(gòu)可能不以某一階振型為主，而存在振型耦合。結(jié)構(gòu)下部的相對(duì)變形大于上部，在柱頂（32.0 m）以上的鋼桁架和A 型架剛度較大，相對(duì)變形較小。A 形架的振動(dòng)有回收趨勢(shì)，表明結(jié)構(gòu)的豎向質(zhì)量和剛度在A 形架處發(fā)生了突變。

圖9 實(shí)測(cè)振型（單位：m）Fig.9 Tested vibration mode（unit：m）

5 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

5.1 模型構(gòu)建

利用ANSYS 有限元軟件對(duì)上節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)建立有限元計(jì)算模型，如圖10 所示。該模型采用Beam188 模擬結(jié)構(gòu)鋼桁架等線(xiàn)形構(gòu)件，上部A 型架、擋風(fēng)墻和風(fēng)機(jī)以質(zhì)量形式用Mass21 單元加在空冷平臺(tái)上部的節(jié)點(diǎn)上，用Shell63 模擬A 型架上主要設(shè)備的質(zhì)量和對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)，采用了與文獻(xiàn)［2-3］類(lèi)似的組合截面模擬方法模擬鋼筋混凝土管柱，管柱與鋼桁架以鉸接連接，在模型中柱底端施加位移全約束，即6 個(gè)自由度。采用理想彈塑性材料模型模擬鋼材力 學(xué)性能，Sargin 和Saenz 模型［4-5］模擬混凝土應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。

圖10 有限元模型Fig.10 Finite element model

5.2 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)有限元模型建立后，采用高精度的模態(tài)分析方法Subspace 提取結(jié)構(gòu)的前幾階振型和頻率進(jìn)行分析。計(jì)算振型如圖11 所示。表4 為計(jì)算分析得到的前3 階頻率以及與上節(jié)實(shí)測(cè)所得頻率的比較。

表4 頻率比較Tab.4 Frequency comparison

圖11 計(jì)算振型Fig.11 Calculated vibration modes

圖11 所示的振動(dòng)形態(tài)表明，計(jì)算模型第1 階為扭轉(zhuǎn)振型，第2 階為南北方向平動(dòng)振型，第3 階為東西方向平動(dòng)振型，第3 階以后的振型為風(fēng)機(jī)橋架和局部桿件的振動(dòng)。根據(jù)2.2 節(jié)和4.2 節(jié)中的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)振型1 階為扭轉(zhuǎn)、2 階為南北方向平動(dòng)、3 階為東西方向平動(dòng)，表明計(jì)算振型與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。根據(jù)表4 中頻率對(duì)比情況，計(jì)算所得頻率和實(shí)測(cè)所得頻率吻合較好，但計(jì)算頻率小于實(shí)測(cè)頻率，主要是因?yàn)橛?jì)算模型對(duì)柱節(jié)點(diǎn)、A 型架上排氣管道、蒸汽分配管、圓管以及結(jié)構(gòu)上部的檢修平臺(tái)隔墻、門(mén)、步道、欄桿、連接件等局部構(gòu)造和非承重構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致了模型剛度降低。

綜合以上分析結(jié)果，計(jì)算模態(tài)與實(shí)測(cè)振型相吻合，二者頻率接近，說(shuō)明計(jì)算模型能較好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的自振性能，可進(jìn)一步為結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載（風(fēng)機(jī)擾動(dòng)、地震及風(fēng)荷載）等動(dòng)力響應(yīng)研究提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)低階振型接近，存在耦合，不能采用底部剪力法計(jì)算該類(lèi)結(jié)構(gòu)地震作用。常規(guī)民用建筑中不常出現(xiàn)1 階扭轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)1 階為扭轉(zhuǎn)振型，不利于結(jié)構(gòu)抗震，必須重視該類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗扭問(wèn)題。高階振型中表現(xiàn)出局部桿件和風(fēng)機(jī)橋架振動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)為大跨長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮豎向地震影響。

6 結(jié) 論

1） 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形由于所處位置的不同而不同。同一測(cè)點(diǎn)南北向和東西向峰值出現(xiàn)時(shí)刻不同，說(shuō)明結(jié)構(gòu)南北向和東西向的自振特性不同。中間測(cè)點(diǎn)反應(yīng)比角部測(cè)點(diǎn)反應(yīng)小，表明結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)。

2） 前2 階振型接近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)可能不以某一階振型為主，而存在振型耦合。結(jié)構(gòu)下部管柱的相對(duì)變形大于上部鋼桁架和A 型架的變形，A 形架振動(dòng)呈現(xiàn)回收趨勢(shì)，表明質(zhì)量和剛度在該處發(fā)生了突變。

3） 有限元分析模態(tài)與實(shí)測(cè)振型吻合，頻率接近，說(shuō)明模擬結(jié)果能較好地反映出實(shí)際自振性能，可為研究結(jié)構(gòu)動(dòng)荷載響應(yīng)提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)低階振型接近，不適合采用底部剪力法計(jì)算地震作用。