壓力水塔振動基頻的理論及試驗研究

高瑞成　李順才　耿科　胡晗

摘 要：利用TST5926E大型結構無線動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，通過環(huán)境激勵法，對徐州某廢棄水塔的基頻進行了現(xiàn)場測試。由TST5926E采集器采集四個測點的垂向及橫向兩通道信號，經(jīng)過TST5926E系統(tǒng)的頻譜分析，得到了水塔縱向振動及橫向振動的基頻。

關鍵詞：壓力水塔 橫向振動 縱向振動 基頻 環(huán)境激勵法

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（b）-0044-04

Abstract： Using the TST5926E wireless dynamic properties test system of large-scale structure and natural excitation technique，we carried out an in-situ fundamental frequency test to a wasted water tower at Xuzhou city. Collecting two -channel signals of vertical and transverse vibration of four measure points by TST5926E collector and carrying out frequency spectrum analysis of TST5926E system， we have obtained the fundamental frequency of the longitudinal vibration and transverse vibration of the water tower.

Key Words： Hydraulic Water Tower； Transverse vibration； Longitudinal vibration； Fundamental frequency； The natural excitation technique

自20世紀60年代以來，我國興建了大量的水塔構筑物，主要應用于工民建建筑及消防等領域，用以調節(jié)水壓、儲存和供給用水。水塔主要由儲水箱、支承體系、基礎部分和輔助設施等幾部分組成[1]。水塔的塔身是支承結構，細長而且高聳，設計時主要考慮地震荷載以及水平風荷作用下的受力和穩(wěn)定性[2]。水塔是市政工程的一個重要環(huán)節(jié)，其破壞不僅僅影響著鄰近建筑物以及人們的生命和財產(chǎn)安全，還關系到每個城市抗震減災救援功能的正常應用[3]。所以隨著水塔的發(fā)展與建設，抗震減災成為日益重要的課題之一[4]，而這一課題對于地震多發(fā)地區(qū)來說尤為重要。調查我國多次震害的情況，發(fā)現(xiàn)儲水箱和基礎部分不容易發(fā)生破壞，而破壞發(fā)生于支承部位[5]。多年來，人們研究了水塔結構的靜、動力特性[6]，應用各種方法對水塔結構與震動方面進行分析。1957年，錢培風教授[7]首先提出高聳結構豎向地震成為主導作用的觀點；1983年，日本學者武藤清[8]提出了將自由水、塔體和水箱分別作為一個質點的雙質點體系簡化模型，之后運用相關的理論進行計算分析；1996年，張鴻儒[9]使用迭代方法分析關于土結構的非線性應力應變問題，在確定性地震波作用下，研究了水塔結構分別在柔性地基和剛性地基條件作用下的地震峰值響應特性，并將其進行對比；2001年鄒祖軍等人基于線性理論，根據(jù)小幅度自由表面波動導出關于水的晃動力計算公式，對規(guī)范中的方法提出了修改意見[10]。研究表明，水塔塔內所支撐的水體重量在結構總重量有較大比重，在振動時水體晃動有非常明顯的減震作用[11]。但總體來說，對水塔振動試驗研究方面的成果不多，該論文通過理論及試驗研究壓力水塔的振動頻率。

1 水塔橫向及縱向振動固有頻率的理論公式

壓力水塔多位于高層建筑頂層或地勢較高的山坡上，其塔身結構細而高，如圖1所示，上端承受水箱的重量，一方面容易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象；另一方面在風載作用下結構容易橫向振動，塔身可以看成是一個在自由端具有附加質量的懸臂梁。當水箱裝滿水可忽略塔身質量時，水塔的基頻可簡化為：

（1）

式中：M為水箱的質量；EI為塔身的抗彎剛度；L為塔身的高度。

由于塔身內部結構的非均勻性，且水箱及塔身質量、抗彎剛度EI、質量密度ρ未知，不能精確計算其固有頻率，因而下面通過現(xiàn)場測試來確定水塔的基頻。

2 壓力水塔振動基頻的現(xiàn)場測試

2.1 試驗原理及試驗設備

圖1為此次測試用的位于江蘇師范大學云龍校區(qū)東院內的一個廢棄水塔，水塔塔高25 m，沿塔內臺階一直向上走至塔身與水箱連接處的圓形平臺，該平臺內徑為3.9 m，在此圓形平臺上搭建測試設備，如圖2所示。

試驗設備的詳細組成如圖3所示。采用江蘇泰斯特電子設備制造有限公司生產(chǎn)的TST5926E大型結構無線動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由多個TST5926E采集器、無線路由器、計算機、天線、同步線組成。采集器內置高靈敏度、水平和垂向的雙低頻速度傳感器，具有完善的信號適調、電壓放大、抗混濾波、數(shù)據(jù)采集功能，內嵌Linux操作系統(tǒng)，標配2G存儲器，高速WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離遠，傳輸質量高。每個采集器具有Z、X兩個通道，分別采集結構沿垂直和水平兩個方向的振動，如圖4所示。TST5926系列大型結構動態(tài)特性測試分析軟件是基于VC++開發(fā)平臺的一款信號處理軟件，包含實時采集、實時顯示、實時分析、實時保存等模塊，具有強大的分析、處理能力。采集器采集的信號經(jīng)過無線發(fā)送及接收系統(tǒng)傳入電腦，由TST5926E軟件進行分析處理。

2.2 試驗步驟

（1）在圓形平臺上均勻設置四個測點，在每個測點上放置一個TST5926E雙通道采集器，即每兩個采集器之間的夾角為90°。

（2）在每個采集器的插孔內接入接收天線及同步線。無線路由器插孔內接入發(fā)射天線及網(wǎng)線，網(wǎng)線另一端接入筆記本電腦，在測試現(xiàn)場無線路由器由事先充好電的移動電源供電。

（3）按TST5926E軟件操作方法設置采樣頻率、采樣時間及測量類型等參數(shù)，檢查無誤后即可以采集數(shù)據(jù)。

（4）采集結束后可以離線分析信號的時域及頻域特征。

3 試驗結果及分析

此次測試設置采樣頻率為200 Hz，采樣時間為200 s。圖5給出了1號測點采集器采集的Z向（縱向）及X向（橫向）振動加速度信號的時域及實時譜頻域截圖。

可知，測點1測得的Z向、X向基頻分別為10.35 Hz、0.78 Hz。四個測點測得的基頻及相應的譜值如表1所示，其中基頻及實時譜值的單位分別為Hz、m/s2。

由表1可知：水塔Z向、X向振動的基頻約為11 Hz及0.78 Hz。其中測點4在支撐柱上，與其他幾個測點結構不同，帶入了一部分鋼管、混凝土支撐柱部分的影響，所以測出的基頻有問題。

4 結語

通過理論推導得到了壓力水塔簡化后的橫向及縱向振動基頻的計算公式，并以徐州某廢棄水塔為例進行了基頻的現(xiàn)場測試。在塔頂內圓形平臺處搭建了無線TST5926E大型結構動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)，通過不測力法得到了該水塔的縱向及橫向基頻分別為11 Hz及0.78 Hz，幾個測點測得的基頻基本一致。由于缺少該塔的基礎資料，暫時無法計算其理論基頻，故文中未對基頻測量值與理論值進行比較。

參考文獻

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[3] 蘇瑜.鋼筋混凝土水塔的抗震性能分析[D].西安：西安建筑科技大學，2011.

[4] 朱鏡清.結構抗震分析原理[M].北京：地震出版社，2002.

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[7] 錢培風.煙囪在地震作用下破壞情形的若干解釋[C]//北京：第一次全國抗震會議論文集.1957.

[8] 日本土木學會編.地震反應分析及實例[M].路秉杰，譯.北京：地震出版社，1983.

[9] 張鴻儒，閻貴平.水塔及其地基的地震峰值響應[J].特種結構，1996，13（3）：49-52.

[10] 鄒祖軍.水塔的附加地震作用計算[J].特種結構，2001，18（2）：16-18.

[11] 王亞勇，張海軍，趙建國.結構抗震設計時程分析法中地震波的選擇[J].工程抗震，1988，3（4）：17-24.