某鋼筋混凝土框架結構廠房動力特性測試分析

趙 明

1 概述

某燒結廠內某廠房系建國初我國自行設計建造。自投產運行以來，主體土建結構未曾有過全面的檢測鑒定。由于主廠房當初設計、建造時，國家有關設計規范、標準以及土建施工條件、技術要求、材料性能與現在相比，其規定、水平有所變化;加之該主廠房運行以來，受使用條件和外部環境的影響，混凝土碳化，局部構件出現裂縫，混凝土剝落，鋼筋(板)銹蝕，鋼構件出現屈曲變形，梁柱連接部位松脫等現象的發生，導致廠房整體結構性能和結構正常使用水平下降。鑒于此，對該廠某廠房結構動力特性實測和分析為廠房結構加固設計提供技術依據。

2 測試原理

本文試驗采用脈動法測試。脈動法是指利用建筑物周圍大環境的微小振動(俗稱脈動)作為激勵，引起結構物的脈動反應，從而測定結構物的自振特性。對一個多自由度的線彈性體系，根據線性多自由度系統的動力分析理論，動態方程可用正則坐標寫成如下形式:

其中，Yj(t)為正則坐標向量的第j個元素;fj(t)為激振力向量的第j個元素。

那么，在第k個自由度的真實響應，即原坐標中的第k個自由度上的響應將是:

其中，φkn為第n個標準化振型向量第k個自由度上對應的元素。

如果將時間域的響應變換到頻率域，將用到Yn(t)的自功率譜，且可以表示為:

圖1 廠房平面布置圖

圖2 廠房?—?軸立面圖

圖3 廠房?—?軸立面圖

在第k點真實的響應信號的自功率譜，對于小阻尼結構，通常認為正則振型互相之間是不相關的。因此，響應自功率譜表達式可以寫成:

很顯然，只有當激勵力的自功率譜在固有振型頻率范圍內為常量時，才能反映系統的動態特性。激振信號譜比較平坦，且在半功率帶寬內是或包含白譜，各模態間耦合可以忽略，所以各諧振峰處半功率帶寬內的響應就可認為與純模態響應相等。于是，可根據振幅譜圖的峰值點對應的頻率確定系統的固有頻率;根據振幅譜圖上各峰值處的半功率帶寬確定模態阻尼比;根據同一固有頻率處各測點振幅譜圖的峰值的大小確定固有振型幅值的相對大小。

表1 工況與測點布置簡圖

3 測試測點布置

該廠房為鋼筋混凝土框架結構，現場測試中，為了測量靠近振動篩的主要受力柱子振動特性，將水平拾振器沿豎向分別放置于±0.00 m地坪柱腳、3.9 m一層柱頂附近、9.8 m二層柱頂附近、13.7 m三層柱頂附近、19.3 m四層柱頂附近等特征高度處。

根據該廠廠房的構成，測試分別在結構兩個部位上進行，即廠房C列，D列與⑥軸線相交處的兩個混凝土柱。測點布置見圖1～圖3。

4 測試工況

現場測試采用橫向和縱向地脈動以得到廠房的動力特性(橫向和縱向的振動頻率、振型、阻尼比)。測試時，拾振器測量結構的兩個水平主軸方向的振動信號。首先測試結構的橫向振動，然后將各拾振器同向扭轉90°測量縱向振動。各工況見表1。

表2 某廠房D6柱各工況數據處理結果

5 動力特性測試結果

根據現場采集的輸入和輸出信號，通過“DASP”軟件進行頻域分析，得到了廠房結構振動的動力特性包括頻率、振型。從圖上各個測點的峰點對應的頻率和幅值，得到廠房結構縱、橫向的頻率和該頻率對應的振型，各工況數據經處理分析后由表2，表3，圖4給出。

表3 某廠房C6柱各工況數據處理結果

圖4 框架柱振型圖（單位：m）

6 結語

通過結構的動力特性的測試，可以為該廠房結構抗震分析提供動力參數，在沒有大型激振設備的情況下，利用大地的脈動通過專門的儀器進行結構的動測是簡捷方便的。通過本文，可為多層鋼筋混凝土結構動力測試作為參考依據。框架結構動力特性周期電算結果一般較實測周期偏大很多，一個主要的因素是:框架結構在電算中只考慮框架柱是抗側力構件。而在脈動反應現場實測中，結構整體處于線彈性工作階段，框架填充墻與框架處于協同工作狀態，故提供的抗側剛度很大，這是造成結構電算周期與實測值相比偏大的主要原因。對于此次測量的車間標高3.9 m處振幅異常，則是因為此標高處平臺放置一臺三相異步電動機，由于現場條件限制，此電動機無法停止運轉，因而造成此處振幅激增。

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