某工業化鋼結構建筑動力特性的測試與分析

陳 穎

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350025)

引 言

建筑工業化是建筑業發展的趨勢之一，所謂建筑工業化是指將工業化生產的方式運用于建筑業生產，使建筑標準化、設計規范化、施工機械化、配套技術工廠化、管理科學化。目前國外發達國家已經建立了多種適合工業化建筑的成熟的結構體系，適合我國工業化建筑的結構體系正在完善、成熟中，工業化鋼結構體系是我國建筑工業化結構體系中的一個重要分支。本文對某工業化鋼結構建筑的周期、振型等動力參數進行實測，將實測結果與PKPM設計軟件的計算結果進行比較，分析，為類似工程的測試和設計提供借鑒依據。

1 工程概況

圖1 一層建筑平面布置示意圖

圖2 三層建筑平面布置示意圖

圖3 邊柱節點示意圖

某綜合樓一樓為廚房和餐廳，二、三、四樓為辦公室，一層層高為4.2m，其余層層高均為3.3m，其中一層鋼柱下設置高0.9m混凝土墩;結構形式為四層全螺栓現場拼裝斜撐梁柱承重鋼框架結構，基礎采用預應力管樁。該結構的特點是在邊角柱和主鋼梁節點設置鋼斜撐形成帶斜撐梁柱，中柱與主鋼梁節點為無斜撐梁柱節點，節點連接全部采用高強度螺栓連接。鋼柱均為高3.3m方鋼管柱，邊長為200mm、壁厚為10mm，鋼梁均采用格構式鋼桁架梁，鋼梁上鋪設壓型鋼板澆筑混凝土形成主板架。該工程為工業化建筑，所有承重構件均在工廠預制完成后現場拼裝完成，四層結構現場施工時間不到兩天。具體建筑平面布置見(圖1、圖2)，節點示意見(圖3、圖4)，結構平面布置見(圖5、圖6)，測試時結構現狀見(圖7～圖10)。

2 動力特性測試

本次測試采用脈動法測試，依次采用設置參數、采樣、濾波編輯、分析、模態分析、示波的步驟。

圖4 中柱節點示意圖

圖5 二至四層結構平面布置示意圖

圖6 屋面層結構平面布置示意圖

圖7 結構外觀

圖8 梁板結構

圖9 中柱和主梁節點

圖10 邊柱斜撐

2.1 測點布置

為了消除結構扭轉振動的影響，只獲得建筑物的平移振動，應盡可能將傳感器布置在建筑物的剛度中心。考慮到實際測試時剛度中心較難確定，本次試驗在各樓層建筑幾何中心各布置一個速度傳感器，采用脈動測試法分別測量X、Y兩個方向的水平振動，傳感器布置于樓面上(圖11)。

圖11 傳感器布置示意圖

2.2 測試數據

本次測試采樣頻率為500HZ，運用輸入未知時的結構模態參數識別的方法，對測試獲得的時域記錄進行離散傅立葉變換，從而獲得各樓層質點在一定頻帶范圍內的頻譜曲線。(圖12、13)分別為二層至屋面層X方向、Y方向自功率譜圖。從圖中可以看出，二層至屋面層X方向一階固有振動循環頻率均為 2.69HZ，自振幅值分別 0.0499、0.1095、0.1491、0.1759;Y方向一階固有振動循環頻率均為2.44HZ，自振幅值分別0.0429、0.0834、0.1343及0.1403。圖14至圖16為 X方向二層、三層，二層、四層，二層、五層互譜相干函數。從圖中可以看出一階相干函數分別為0.988、0.985、0.985，二階相干函數分別為0.928、0.917、0.915;圖17至圖19為Y方向二層、三層，二層、四層，二層、五層互譜相干函數。從圖中可以看出一階相干函數分別為0.996、0.996、0.995，二階相干函數分別為0.993、0.948、0.975，相干函數均接近1，表明二者具有良好的相關性，分辨得的自振頻率是可靠的。

圖12 X方向二層至屋面層自功率譜

圖13 Y方向二層至屋面層自功率譜

圖14 X方向二層、三層互譜相干函數

2.3 測試的振型

多自由度結構具有阻尼比較小、各模態的頻率相差大的特點，在任意激勵作用下，振型比可以近似認為是在自振頻率處相應信號的互譜與自譜的峰值比，由下式得出[1]:

圖15 X方向二層、四層互譜相干函數

圖17 Y方向二層、三層互譜相干函數

圖18 Y方向二層、四層互譜相干函數

圖19 Y方向二層、五層互譜相干函數

式中:Gapk(wi)為k、p測點的互功率譜，Gapp(wi)為p測點的自功率譜，φki，φpi分別為k測點、p測點的i階振型的坐標。本次振動測試對應于波形圖分析得到該建筑前兩階振型如(圖20～圖23)所示。

圖20 X向一階振型

圖21 Y向一階振型

圖22 X向二階振型

圖23 Y向二階振型

2.4 實測結果分析

X向、Y向前二階振動特性列于(表1)。從(表1)可以看出，X方向第一階振動頻率較Y方向振動頻率大，表明X方向結構抗側剛度大于Y方向結構抗側剛度，與實際結構剛度布置相吻合。各樓層在同一階具有完全相同振動頻率，這是由于工業化鋼結構建筑為工廠模塊化預制生產后現場拼裝，保證了不同樓層梁柱構件、板構件、斜撐等尺寸偏差很小，節點施工方法有保障，工業化施工使建筑各樓層具有基本相同的剛度和質量，這也說明測試結果是可信的。

表1 工業化鋼結構建筑X向、Y向前二階振動特性

3 結構動力特性計算分析

3.1 模型的建立

由于目前沒有專門為工業化建筑的設計軟件，而設計人員普遍熟悉PKPM設計計算軟件，本文采用PKPM軟件建模計算該建筑的結構動力特性。由于PKPM軟件中供用戶選擇的鋼梁截面類型沒有與該結構梁吻合的截面，本工程采用等效剛度及質量的等代梁模擬實際工程中的鋼桁架，主梁與鋼柱間的連接節點考慮為剛接、次梁同垂直相交主梁的連接節點考慮為鉸接連接;邊角柱與鋼梁間的斜撐采用計算軟件中的鋼斜桿模擬，默認兩端鉸接，計算長度系數為1.0，并按軸心受力桿件進行驗算，鋼斜桿的模擬只考慮材料強度，未有具體截面尺寸設置。該鋼結構建筑樓屋面板均為壓型鋼板混凝土組合板，為簡化計算模型采用等質量原則將組合板折算為相同厚度混凝土樓板模擬。采用“一次性加載”對該建筑結構進行施工順序模擬。為了與實測動力參數建筑僅施工完畢結構部分的現狀相吻合，建模計算時不輸入梁上荷載及樓屋面活荷載，其余荷載按相關規范取值[2]。

3.2 計算結果

(圖24～圖27)為PKPM軟件計算結果輸出的X、Y方向前兩階理論計算振型。PKPM軟件計算結果看出該建筑第一振型號中Y方向的平動系數為1.00，相應平動振動周期為0.3513s，第二振型號中X方向的平動系數為1.00，相應平動振動周期為0.3298s。第三振型號對應扭轉系數為1.00，相應扭轉振動周期為0.2179s，第一扭轉周期同第一平動周期的比值(Tt/T1)為0.62，小于規范0.9的限值[3]。上述計算結果表明該建筑在地震力作用下，第一階振型分別為Y方向、X方向的平移振動，第三階為扭轉振動，對結構產生的能量中大部分只能夠激起結構的平移振動，結構在兩個主軸方向的動力特性較接近。X方向地震作用下及風荷載作用下的樓層最大位移分別為1/6158、1/5807，Y方向地震作用下及風荷載作用下的樓層最大位移分別為1/5442、1/4270，樓層最大位移均遠小于規范要求[3]。

圖24 X向一階振型

圖25 Y向一階振型

圖26 X向二階振型

圖27 Y向二階振型

3.3 計算結果同實際測試比較分析

根據PKPM建模分析結果知X向平動振動周期為0.3298s，Y向平動振動周期為0.3513s。模型計算獲得的平動振動周期約為實際測試結果0.89倍與0.86倍，二者基本吻合，且計算結果表明前兩節振型均以平動為主，保證了結構在較小能量作用下不產生較大的扭轉，這與測試時測點布置方案也是一致的。建模分析結果與實測結果產生偏差的主要原因是一層柱底同基礎鋼筋混凝土墩間尚未采用填料填實，柱底同基礎連接方式介于鉸接與剛接之間，這與計算模型中柱腳同基礎設置為剛性存在不一致，(圖28)為實際工程柱腳現狀。另外PKPM建模分析中采用等效剛度及質量的等代梁模擬實際工程中的鋼桁架梁，樓屋面壓型鋼板混凝土組合板簡化為相同厚度混凝土樓板，及節點的剛接，鉸接簡化均對計算結果產生一定偏差。

圖28 實際柱底現狀

4 結論

(1)采用脈動環境試驗的隨機信號數據頻域分析方法測試該種類型的工業化鋼結構建筑的結構動力特性參數是可行的。通過測試結果說明各層具有幾乎相同的剛度質量比，體現了該建筑鋼結構工業化的特征。

(2)對于本文的具體工程項目，采用 PKPM建模分析，雖然經過一定的簡化和假定過程，計算結果存在偏差，但是計算結果還是可以接受的。對于該種類型的工業化鋼結構建筑如果采用設計軟件計算分析時，應該確保簡化和假定是正確可行的。

(3)該種類型的工業化鋼結構建筑，還需要積累相關的測試數據并且努力探索符合本結構特征的計算方法。

[1]李斌，盧文勝，沈劍浩，等.高層建筑結構動力特性測試實例分析[J].結構工程師，2006，22(2):63 －67

[2]GB 50009－2012，建筑結構荷載規范[S].

[3]GB 50011－2010，建筑抗震設計規范[S].