某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廠房動力特性測試分析

趙 明

1 概述

某燒結(jié)廠內(nèi)某廠房系建國初我國自行設(shè)計建造。自投產(chǎn)運(yùn)行以來，主體土建結(jié)構(gòu)未曾有過全面的檢測鑒定。由于主廠房當(dāng)初設(shè)計、建造時，國家有關(guān)設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及土建施工條件、技術(shù)要求、材料性能與現(xiàn)在相比，其規(guī)定、水平有所變化;加之該主廠房運(yùn)行以來，受使用條件和外部環(huán)境的影響，混凝土碳化，局部構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，混凝土剝落，鋼筋(板)銹蝕，鋼構(gòu)件出現(xiàn)屈曲變形，梁柱連接部位松脫等現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致廠房整體結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)正常使用水平下降。鑒于此，對該廠某廠房結(jié)構(gòu)動力特性實測和分析為廠房結(jié)構(gòu)加固設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

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(huán)境的微小振動(俗稱脈動)作為激勵，引起結(jié)構(gòu)物的脈動反應(yīng)，從而測定結(jié)構(gòu)物的自振特性。對一個多自由度的線彈性體系，根據(jù)線性多自由度系統(tǒng)的動力分析理論，動態(tài)方程可用正則坐標(biāo)寫成如下形式:

其中，Yj(t)為正則坐標(biāo)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(yīng)，即原坐標(biāo)中的第k個自由度上的響應(yīng)將是:

其中，φkn為第n個標(biāo)準(zhǔn)化振型向量第k個自由度上對應(yīng)的元素。

如果將時間域的響應(yīng)變換到頻率域，將用到Y(jié)n(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(diǎn)真實的響應(yīng)信號的自功率譜，對于小阻尼結(jié)構(gòu)，通常認(rèn)為正則振型互相之間是不相關(guān)的。因此，響應(yīng)自功率譜表達(dá)式可以寫成:

很顯然，只有當(dāng)激勵力的自功率譜在固有振型頻率范圍內(nèi)為常量時，才能反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。激振信號譜比較平坦，且在半功率帶寬內(nèi)是或包含白譜，各模態(tài)間耦合可以忽略，所以各諧振峰處半功率帶寬內(nèi)的響應(yīng)就可認(rèn)為與純模態(tài)響應(yīng)相等。于是，可根據(jù)振幅譜圖的峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率確定系統(tǒng)的固有頻率;根據(jù)振幅譜圖上各峰值處的半功率帶寬確定模態(tài)阻尼比;根據(jù)同一固有頻率處各測點(diǎn)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(diǎn)布置簡圖

3 測試測點(diǎn)布置

該廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)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(jù)該廠廠房的構(gòu)成，測試分別在結(jié)構(gòu)兩個部位上進(jìn)行，即廠房C列，D列與⑥軸線相交處的兩個混凝土柱。測點(diǎn)布置見圖1～圖3。

4 測試工況

現(xiàn)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(jié)構(gòu)的兩個水平主軸方向的振動信號。首先測試結(jié)構(gòu)的橫向振動，然后將各拾振器同向扭轉(zhuǎn)90°測量縱向振動。各工況見表1。

表2 某廠房D6柱各工況數(shù)據(jù)處理結(jié)果

5 動力特性測試結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場采集的輸入和輸出信號，通過“DASP”軟件進(jìn)行頻域分析，得到了廠房結(jié)構(gòu)振動的動力特性包括頻率、振型。從圖上各個測點(diǎn)的峰點(diǎn)對應(yīng)的頻率和幅值，得到廠房結(jié)構(gòu)縱、橫向的頻率和該頻率對應(yīng)的振型，各工況數(shù)據(jù)經(jīng)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(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖4 框架柱振型圖（單位：m）

6 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)的動力特性的測試，可以為該廠房結(jié)構(gòu)抗震分析提供動力參數(shù)，在沒有大型激振設(shè)備的情況下，利用大地的脈動通過專門的儀器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動測是簡捷方便的。通過本文，可為多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動力測試作為參考依據(jù)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)動力特性周期電算結(jié)果一般較實測周期偏大很多，一個主要的因素是:框架結(jié)構(gòu)在電算中只考慮框架柱是抗側(cè)力構(gòu)件。而在脈動反應(yīng)現(xiàn)場實測中，結(jié)構(gòu)整體處于線彈性工作階段，框架填充墻與框架處于協(xié)同工作狀態(tài)，故提供的抗側(cè)剛度很大，這是造成結(jié)構(gòu)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(biāo)高3.9 m處振幅異常，則是因為此標(biāo)高處平臺放置一臺三相異步電動機(jī)，由于現(xiàn)場條件限制，此電動機(jī)無法停止運(yùn)轉(zhuǎn)，因而造成此處振幅激增。

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