附加隔震支座預制鋼梯的動力特性測試

常璐平 高洪健 屠念潯

【摘 要】利用激勵荷載作用下的動力特性測試技術，對理論計算相對困難的實體模型進行測試。在測定首階自振頻率滿足舒適度要求，基于半功率點法對該結構的阻尼比進行簡單分析的前提下，對不同激勵方式進行探討，結果表明隨機激勵比等間隔激勵方式結果更加理想。

【關鍵詞】隔震樓梯 動力特性測試 結構基頻

0引言

實際工程中由于設計者只關注結構的承載能力設計，忽略對有外界激勵荷載較多的如橋梁和較大跨度樓梯等結構中發生人-結構共振的現象，危害結構的安全性和耐久性。剛度較差的結構，規范CJJ69-5給出了舒適度標準，人行天橋的豎向自振頻率不小于3Hz。豎向自振頻率1-5Hz時，豎向振動加速度小于等于0.043g。近年來，動態測試技術廣泛應用于建筑領域，尤其高層建筑和橋梁工程，利用脈動測試技術可獲得精確度較高的結構模態參數，對以后結構體系的改造加固積累了重要的數據。

本文基于預制樓梯結構建模復雜難以分析的情況下，對較大跨度并且附加隔震支座的鋼梯進行明確激勵方式作用下的結構基頻的測定，以利于進一步施工。

1 工程簡介

河北工業大學圖書館3層及4層間細腰部位端樓板之間的預制鋼樓梯（Q345）經ANSYS建模如圖1.1所示，鋼梁上端與邊梁中預埋件連接并現澆成整體，下端采用兩隔震支座與箱形梯梁焊接。由于樓梯跨度達17.3m，對其進行有限元建模分析時，網格劃分比較困難，一般計算機的配置難以滿足計算需求，故對該樓梯進行動力特性測試。

圖 1.1 鋼樓梯ANSYS幾何模型

人行激勵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，靜止時身體擺動為0.4-0.7Hz。由于結構阻尼的存在，只有當人行荷載的激勵頻率與結構的自振頻率較為接近并且激勵能量足夠的情況下，共振才有可能發生。

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

2 試驗設備及參數設定

2.1 力錘

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

2.2 傳感器及采集儀

試驗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，由于試驗所用力錘激勵能量較小，故采用該加速度傳感器滿足工程需求。采用TST5912兩通道動態信號分析系統，通道1與力錘連接，通道2連接加速度傳感器。

2.3 測點布置

由于力錘激勵能量較小并且通道數少，本次試驗為進行樓梯的模態識別。在測量樓梯的自振頻率時，采用單點激勵、單點拾振的方法，測點布置如圖1.1所示。

3 試驗結果分析

3.1 一測點分析

在1點進行測試時，傳感器布置在鋼梯第一個平臺板位置，在平臺板上進行敲擊。為了避免平臺板的自振頻率與整體結構的自振頻率相混淆，首先對平臺板進行ANSYS建模分析，得出平臺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，激勵方式為等時間間隔（1.5s左右）的脈沖激勵。設置采樣頻率為100Hz，根據采樣定理，分析頻率在40H左右，在頻段范圍內，避免平臺板自身基頻的干擾。采集數據經過多次平滑后，其響應信號的自譜及激勵與響應的頻響函數分別見圖3.2-3.3所示。

圖3.1 平臺板首階振型圖

圖3.2 測點1響應信號自功率譜密度函數

圖3.3 測點1激勵與響應信號的頻響函數復制曲線

根據圖3.2，響應信號的自譜中出現兩個較高峰值，為f=0.68Hz及f=6.45Hz，說明該信號在兩頻點處功率值較高，根據圖3.3，頻響函數在分析頻率范圍內存在f=6.45Hz處一個峰值。

3.2 二測點分析

在2點進行測試時，傳感器布置在鋼梯第二個平臺板位置，在平臺板旁第一個踏步板上進行敲擊。為模擬多人行走時對鋼梯造成的激勵，激勵方式為時間間隔不等的隨機脈沖激勵，激勵力的時間變化曲線如圖3.4所示。

圖3.4 激勵力-時間變化曲線

采集數據經多次平滑，其響應信號的自功率譜密度函數曲線見圖3.5所示。

圖3.5 測點2響應信號自功率譜密度函數

由圖3.5可見，自譜中在f=6.45 Hz處存在一處峰值，相比于測點1分析結果中的圖3.2信號的自譜曲線在f=0.68Hz處的峰值消失，說明激勵方式的不同會對響應信號造成的影響。據圖3.2、3.3及3.5，確定該預制鋼樓梯的基頻問6.45Hz。

4結果分析

結合上述實驗，可以表明

1.該預制鋼結構附加隔震支座后滿足舒適度要求，由于測試階段預制樓梯表層的木板及扶手等附加質量未安裝就位，勢必導致結構基頻的降低，因此仍需對后期的結構進行進一步測試；

2. 激勵方式的不同會對響應信號造成的影響，采用隨機脈沖比等時間間隔的脈沖激勵方式獲得的識別結果更加精確，頻譜更加平緩。

參考文獻：

[1] 白國梁，李紅星，陳愛國 廠房動力特性測試及加固效果評估 [J]. 世界地震工程， 2003，19（2）：51-57.

[2] 陳志鵬， 王綱. 天津電視塔動力特性的實測研究 [J]. 特種結構， 1996， 13（4）： 45-48.

[3] 陳志鵬，寶志雯，王宗綱. 京廣中心大廈鋼結構動力特性的測試與分析[J]. 鋼結構， 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.