結(jié)構(gòu)動力特性測試在高層建筑健康檢測中的運用

吳 燊

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

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結(jié)構(gòu)動力特性測試在高層建筑健康檢測中的運用

吳 燊

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

以南平市某大廈為例，通過采用環(huán)境振動法對建筑進行結(jié)構(gòu)動力測試，從中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù),為建筑的健康診斷提供依據(jù)，并將測試結(jié)果與經(jīng)驗值進行了比較，分析了存在偏差的可能影響因素，為今后類似檢測提供借鑒依據(jù)。

結(jié)構(gòu)動力，自振頻率，振型，動力傳感器

0 引言

隨著高層建筑的廣泛應(yīng)用及人們安全意識的提高，建筑結(jié)構(gòu)安全已引起人們的注意，建筑物健康檢測也引起人們的關(guān)注。普通的建筑物安全性鑒定對裝修及人們生活造成一定影響，而高層建筑的安全性鑒定對影響人群及范圍進一步擴大。結(jié)構(gòu)動力測試是利用工程振動測試技術(shù)實測結(jié)構(gòu)所受的激勵和動力響應(yīng),從中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(主要為自振頻率、振型)和實際物理參數(shù)(主要為剛度參數(shù)),結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)反映結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布狀態(tài)，如果結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，也能間接反映結(jié)構(gòu)的物理性態(tài)變化。通過定期對建筑進行檢測，根據(jù)其變化情況為建筑的健康診斷提供依據(jù)，且結(jié)構(gòu)動力測試對建筑物沒有損傷,也不影響建筑物內(nèi)部正常工作,只要在可達到的結(jié)構(gòu)位置安裝動力響應(yīng)傳感器即可，是一種有效而簡便的方法。因此，結(jié)構(gòu)動力測試在高層建筑健康檢測中的運用，已經(jīng)成為工程界的研究方向。

1 工程概況

南平市某大廈為地上29層，地下2層鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓、屋面板，基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)。房屋建于2012年，總高約88.9 m，底層最大寬度約21.8 m，1層～3層作為商業(yè)使用，4層以上為住宅，房屋標(biāo)準層結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，外觀如圖2所示。

2 動力特性測試方案

采用環(huán)境振動法(脈動法)進行測試，避開環(huán)境以及系統(tǒng)的干擾，測試記錄建筑2個方向的環(huán)境振動數(shù)據(jù)。環(huán)境振動法是利用地殼構(gòu)造運動所引起的地球表面微小振動，來識別結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，它可以不利用任何激振設(shè)備,對建筑物沒有損傷,也不會影響建筑物內(nèi)部正常工作,是一種有效而且簡便的方法。

在進行結(jié)構(gòu)測試時，傳感器盡量布置在房屋中心，豎向位置要求一致，自地面往上每隔兩、三層布置一個941B型傳感器，并用速干石膏粘結(jié)，分別測試2個方向振動速度，傳感器位置如圖1所示。傳感器通過抗混濾波器與數(shù)據(jù)采集儀放大、濾波，采集結(jié)構(gòu)兩個方向的脈動速度反應(yīng)參量，并通過數(shù)據(jù)分析處理，獲得結(jié)構(gòu)動力特性(頻率與振型)脈動測試與分析的程序如圖3所示。

3 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)及頻率分析

本工程采樣時間每次均不小于30 min，設(shè)置采樣頻率為200 Hz，低通40 Hz濾波。通過數(shù)據(jù)采集儀測得房屋兩個方向的速度脈動記錄，對測試獲得的時域記錄進行快速傅立葉變換頻譜分析，從而獲得各樓層質(zhì)點的頻率在一定頻帶范圍內(nèi)的頻譜曲線，并通過對信號進行兩兩頻響函數(shù)分析，求得結(jié)構(gòu)的頻率。

根據(jù)上述方法，識別得出該樓X，Y方向的前兩階頻率及相干函數(shù)。圖4為X方向自功率譜及6層與29層互功率譜、相干函數(shù)，圖5為Y方向自功率譜及6層與29層互功率譜、相干函數(shù)。從圖中可以看出，沿X方向前兩階頻率為0.830 Hz，2.734 Hz，沿Y方向前兩階頻率為0.635 Hz，2.686 Hz；各階相干函數(shù)均接近1，表明分析識別的自振頻率是可靠的。

4 振型分析

確定固有頻率后，通過對不同樓層在固有頻率處響應(yīng)比值，并判斷各樓層相關(guān)函數(shù)的相位差，依據(jù)式(1)計算[1]，整理相應(yīng)的結(jié)構(gòu)振型，振型識別結(jié)果見表1及圖6，圖7。

(1)

其中，Gapk(wi)為k測點，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(biāo)。

5 實測結(jié)果與理論計算的分析比較

通過對房屋結(jié)構(gòu)動力參數(shù)測試結(jié)果及振型識別結(jié)果看出，所測X方向振動頻率較Y方向振動頻率大，其表明X方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大于Y方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，與實際房屋結(jié)構(gòu)剛度的布置相吻合；房屋結(jié)構(gòu)第一階及第二階振型的振幅分布較為規(guī)律，未出現(xiàn)明顯異常，其表明房屋結(jié)構(gòu)整體性較好，結(jié)構(gòu)未見明顯損傷缺陷。

參考GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，附錄中高層建筑的基本自振周期計算公式[2]：

(2)

計算得出房屋基本自振周期為1.749 s，實際自振周期約為理論計算自振周期0.90倍，其表明結(jié)構(gòu)實測自振周期基本符合經(jīng)驗計算自振周期，兩者之間差異主要由房屋在使用過程中產(chǎn)生圍護墻、隔墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件提高結(jié)構(gòu)剛度，而經(jīng)驗計算無法考慮周全，這是使計算周期與實測周期偏離的一個主要因素。

本次測試為該房屋的健康檢測建立前期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，為以后的保護和維修提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以后還將結(jié)合定期監(jiān)測和不定期監(jiān)測的數(shù)據(jù)，建立完整的健康檢測資料庫。

表1 房屋結(jié)構(gòu)振型識別結(jié)果

6 結(jié)語

結(jié)構(gòu)動力測試在高層建筑健康檢測中的運用與研究，還處于前期階段，本次測試以南平市某高層建筑的結(jié)構(gòu)動力特性測試為例，闡述了結(jié)構(gòu)動力測試在高層建筑健康檢測中的運用，為完善健康檢測系統(tǒng)提供參考。結(jié)構(gòu)動力測試在高層建筑健康檢測中的運用與研究，雖還處于前期獲取動力特性基本參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的階段，但結(jié)構(gòu)動力特性測試一定會在建筑健康檢測系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。此外，結(jié)構(gòu)動力特性測試還可運用在結(jié)構(gòu)損傷檢測、優(yōu)秀歷史建筑加固效果檢測及保護等方面，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 李 斌，盧文勝.高層建筑結(jié)構(gòu)動力特性測試實例分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006,22(2):63-67.

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

[3] 陸偉東，藍宗建.某高層建筑結(jié)構(gòu)動力測試與抗震性能分析[J].世界地震工程，2010，26(3):169-174.

[4] 吳 體，解振濤.結(jié)構(gòu)動力特性測試在優(yōu)秀歷史建筑保護中應(yīng)用[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36(6):60-64.

[5] 李國強，陳素文.上海金茂大廈結(jié)構(gòu)動力特性測試[J].土木工程學(xué)報，2000，33(2):35-39.

The application of structural dynamic performance test in high building healthy inspection

Wu Shen

(FujianAcademyofBuildingResearch,Fuzhou350025,China)

Take a building in Nanping as an example, the ambient vibration was carried out in structure dynamic test of building to acquire the modal parameters, which can provide the basis for health diagnosis of building. The test results were compared with the empirical values to analysis of influencing factors of deviation. It can be a conference for follow-up structure dynamic test in health inspection of high-rise building.

construction dynamic, natural frequency, vibration mode, dynamic pickup

1009-6825(2017)17-0032-03

2017-03-06

吳 燊(1982- )，男，工程師

TU311.3

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