某復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的動力特性分析

劉昱彤

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

建筑結(jié)構(gòu)動力特性是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動力性能。它的主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼系數(shù)等一些基本參數(shù)。這些特性是由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造連接等因素決定，但與外荷載無關(guān)，它反映了體系的固有特性。

建筑結(jié)構(gòu)動力特性試驗量測結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)是結(jié)構(gòu)動力試驗的基本內(nèi)容，在研究建筑結(jié)構(gòu)的抗震、抗風或抵御其他動力荷載的性能時，都必須要進行結(jié)構(gòu)動力特性試驗，了解結(jié)構(gòu)的自振特性。由于它可在小振幅試驗下求得，不會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的振動和損壞，因此經(jīng)常在現(xiàn)場進行結(jié)構(gòu)的實物試驗，主要分為人工激振法和環(huán)境隨機振動法［1］。

建筑物周圍大地環(huán)境引起結(jié)構(gòu)物振動的地脈動和風稱為環(huán)境激振。自然地脈動是由海浪、風、交通、機械等自然和人為活動所引起，其位移幅值從千分之幾微米到幾微米，頻帶從0.1 Hz～100 Hz。通過拾振器測得建筑物脈動反應后，對隨機的脈動信號進行數(shù)據(jù)處理，可得到結(jié)構(gòu)的基頻率或較低幾階的頻率?？赏茖С雒}動的功率譜峰值，這些峰值對應的頻率即為結(jié)構(gòu)的自振頻率，而根據(jù)計算軟件的精度不同，能得出較為精確的前幾階頻率的數(shù)目也不同。

1 測試儀器介紹

振動測試系統(tǒng)中最重要的是傳感器系統(tǒng)，包括加速度傳感器、速度傳感器、位移傳感器以及應變傳感器等。在對高層建筑進行現(xiàn)場測試時，可以根據(jù)需要選擇一種或者幾種不同類型的傳感器。如果是采用環(huán)境隨機激振，即不采用強迫激振器激振，則因振動信號微弱，要求傳感器有較高的靈敏度，放大器有足夠的增益。

試驗采用同濟大學土木工程學院結(jié)構(gòu)工程與防災研究所自主研發(fā)的SVSA振動信號采集分析系統(tǒng)，具體的測試設備包括:采集儀1臺、筆記本電腦1臺、LC0132T壓電式加速度傳感器2只、USB連接線1根、信號線3根、采集儀電源線1根、萬用表1只。

2 脈動測試法的基本原理

2.1 自振頻率的估計

一般來說，自振頻率的峰點將出現(xiàn)在所有的譜上或者出現(xiàn)在大多數(shù)的記錄信號中。無論是一個測點信號的自譜或者兩個測點信號的互譜，在結(jié)構(gòu)自振頻率峰值的位置都會出現(xiàn)陡峭的峰。異常輸入或局部干擾也會帶來一些峰值。因此，主要問題是從譜中出現(xiàn)的所有峰值中，分辨出自振頻率來。如果建筑物各部位在同一頻率處的相位和振幅符合振型規(guī)律，那么就可以確定此頻率為建筑物的自振頻率。而且，在自振頻率處，兩測點輸出信號之間的相干函數(shù)接近1。

2.2 阻尼比的求取

脈動激勵的頻譜通常情況下是比較平坦的，可以看成是有限帶寬的白噪聲，建筑結(jié)構(gòu)振動信號的功率譜在自振頻率處會出現(xiàn)較大的峰值。將測試所得的信號求其自功率譜，通過峰值所在頻率點來識別結(jié)構(gòu)的自振頻率。對于各階自振頻率對應的阻尼比，可以采用半功率法求取，由半功率點幅值H(ω)/確定半功率帶寬 Vω，然后根據(jù)下式計算［2］:

其中，ωk為第k階自振頻率;H(ωk)為k階自振頻率處的峰值。

3 某復雜高層結(jié)構(gòu)動力測試

3.1 結(jié)構(gòu)概況

本文測試對象選取的是上海某復雜高層建筑結(jié)構(gòu)，該復雜高層建筑是集教學、實驗、科研、會議及辦公等多項功能于一體的現(xiàn)代高校建筑，總建筑面積約43 316 m2，建筑高度97.5 m，該建筑上部結(jié)構(gòu)為21層巨型鋼框架結(jié)構(gòu)體系，框架的層高為4 m，每邊9跨，跨度為5.4 m，結(jié)構(gòu)平面尺寸為48.6 m ×48.6 m，主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架加外圍支撐的形式。標準層樓板為壓型鋼板上澆搗混凝土，主樓樓層中部樓板缺失，形成L形3平面，往上順時針旋轉(zhuǎn)，每三層旋轉(zhuǎn)90°，到頂層共旋轉(zhuǎn)6次。該建筑較多樓層的樓板開洞面積大于樓板面積的35%，有效樓板寬小于典型樓板寬度的40%;結(jié)構(gòu)沿高度每隔3層設2 m高設備層，豎向剛度突變，該建筑屬于典型的平面不規(guī)則和豎向剛度不規(guī)則的復雜高層結(jié)構(gòu)。

3.2 測點布置

測點選擇在較高層樓梯間拐角處，以減少外界對信號的干擾，使測量結(jié)果精度達到要求。對于綜合教學樓，測點布置在21層樓梯間拐角處;從結(jié)構(gòu)平面布置圖中可見，此結(jié)構(gòu)縱向、橫向均較為規(guī)則，因此，按東西(EW)、南北(NS)布置傳感器，分別量測結(jié)構(gòu)在這兩個方向的自振頻率。

為了排除高頻背景噪聲的干擾，使得測試結(jié)果的低頻成分更真實，本次測試將儀器采樣頻率調(diào)整到50 Hz。地脈動激勵可以看作各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程，只要測試時間足夠長，可以用單個樣本函數(shù)上的時間平均來描述這個過程的所有樣本的平均特性，本次測試記錄時間設定為20 min以上，其中某測試樣本的時程如圖1所示。

圖1 測試得到的某樣本時程

4 結(jié)構(gòu)動力特性分析

根據(jù)隨機振動理論，分別計算采集到的加速度時程的功率譜，其中圖1所示的時程樣本的功率譜如圖2所示。

按照第二節(jié)脈動測試法的基本原理，分別求取結(jié)構(gòu)在兩個方向上的自振特性，只要是結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比，并將各個樣本計算的結(jié)果取平均值，作為該復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比，具體結(jié)果見表1。

對于高層建筑，可按文獻［3］中鋼筋混凝土框架和框剪結(jié)構(gòu)基本自振周期的計算公式得到其自振周期:

其中，H為房屋總高度;b為房屋寬度。根據(jù)式(2)得到的該復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率為0.58 Hz，相比脈動測試結(jié)果稍微偏大，這個主要是因為結(jié)構(gòu)在使用過程中的損傷、老化導致結(jié)構(gòu)剛度降低，自振周期延長所致。

圖2 結(jié)構(gòu)在兩個方向振動的功率譜

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比的測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文根據(jù)脈動測試原理，對一棟復雜高層建筑結(jié)構(gòu)進行了環(huán)境振動測試，采用隨機信號的頻域分析方法對測試數(shù)據(jù)進行了分析，確定了高層結(jié)構(gòu)的自振周期和阻尼比。

通過將環(huán)境振動得到的基本自振周期與規(guī)范計算的結(jié)果進行對比分析，結(jié)果表明，實測的復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率比按規(guī)范計算的結(jié)果略小，這個主要是因為結(jié)構(gòu)在使用過程中的損傷、老化導致結(jié)構(gòu)剛度降低，自振周期延長所致。

振動測試能夠較好地識別高層結(jié)構(gòu)的1階～3階自振頻率及阻尼比，且結(jié)果具有足夠的精度。

［1］徐 建.建筑振動工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析——理論、實驗與應用［M］.天津:天津大學出版社，2001.

［3］陳富生.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.