包頭體育場鋼罩棚自振頻率監(jiān)測與退化分析

田志昌，孟慶炎，尹爍朝，馮繼帥

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 引言

隨著我國體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，近年各城市興建了許多大型體育場，由于體育場大多建造在室外，所處環(huán)境較為惡劣，結(jié)構(gòu)發(fā)生退化與損傷的風(fēng)險(xiǎn)極大，且一旦發(fā)生事故不僅財(cái)產(chǎn)損失巨大，人員傷亡也非常嚴(yán)重?，F(xiàn)如今對體育場的監(jiān)測大多處于建造過程中，建成后的長期觀測也必不可少，長期監(jiān)測不僅可以反映結(jié)構(gòu)使用中的退化情況，更可以在事故發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測與補(bǔ)救。因此，凸顯出對體育場結(jié)構(gòu)定期進(jìn)行健康檢測的必要性。

2 工程概況

包頭奧林匹克體育中心位于包頭市九原區(qū)，其主要由主體育場、室內(nèi)體育館和露天體育場三部分組成。本文主要針對主體育場上部鋼罩棚進(jìn)行自振頻率測定進(jìn)行分析。

圖1 主體育場圖

主體育場為一座擁有4萬座位的露天體育場，總建筑面積58401.6m2。其主要由下部建筑和上部鋼結(jié)構(gòu)部分組成，上部鋼結(jié)構(gòu)分為東、西兩個(gè)罩棚，相互獨(dú)立，均為桁架結(jié)構(gòu)，由場地內(nèi)兩條主拱桁架、座位外圍兩條副拱桁架和主、副拱桁架間的鋼罩棚組成。其中，東罩棚主拱南北跨度280m，西罩棚主拱南北跨度299m，東西主拱最高點(diǎn)標(biāo)高分別為63.945m和63.556m。主拱采用空間桁架的結(jié)構(gòu)形式，弦桿桿件直徑650mm，腹桿桿件直徑219mm，桿件材質(zhì)均為Q345b型鋼。

圖2 體育場平面圖

3 測量方法簡介

本項(xiàng)目測量主要針對上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚進(jìn)行自振頻率的測量，測量方法為把高靈敏度力平衡加速度傳感器通過油泥直接與鋼結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行粘結(jié)，對結(jié)構(gòu)自振頻率以及外界激勵(lì)進(jìn)行捕獲，并通過信號放大器及數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行收集，最終通過軟件顯示出波形圖，之后由傅里葉積分原理，將時(shí)間域轉(zhuǎn)化為頻率域，進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振頻率的分析。

圖3 傳感器

測量時(shí)間為2018年7月至2020年10月，由于冬季氣溫過低，無法保證儀器準(zhǔn)確性，所以僅在每年4、7、10三個(gè)月份進(jìn)行測量，共計(jì)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)測量和八次正式測量。

為了提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，加速度傳感器的安裝位置根據(jù)鋼桁架的振型關(guān)鍵點(diǎn)來布置。本工程采用sap2000模型對體育場鋼結(jié)構(gòu)自振頻率及振型進(jìn)行模擬。圖4是鋼結(jié)構(gòu)罩棚通過sap2000軟件模擬出的前二階振型變形圖。

圖4 一、二階振型圖

上圖箭頭所指的是結(jié)構(gòu)位移最大、特征最明顯的點(diǎn)，因此根據(jù)模型模擬出的振型圖，確定了這三個(gè)點(diǎn)位為加速度傳感器的安裝位置。西罩棚的振型特點(diǎn)與東罩棚非常相似，屬同一種類型，因此測點(diǎn)的布置基本相同。最終測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 觀測點(diǎn)布置圖

每期測量在每個(gè)點(diǎn)分白天和夜間進(jìn)行兩次，同時(shí)對每個(gè)測點(diǎn)桿件進(jìn)行南北、東西以及垂直三個(gè)方向測量，每次測量分別采用了 200Hz、500Hz、1000Hz三組不同的采樣頻率，采集又分為脈動監(jiān)測和錘擊監(jiān)測兩種，脈動監(jiān)測主要監(jiān)測結(jié)構(gòu)所處環(huán)境中無序振動特性的白噪聲。錘擊監(jiān)測主要是人為在距離監(jiān)測點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置錘擊構(gòu)件，從而使得整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小的振動，再捕捉敲擊在結(jié)構(gòu)中傳播的振動信號。每一個(gè)測點(diǎn)在每一次測量中可監(jiān)測到12組數(shù)據(jù)，通過多點(diǎn)、多次、多頻率的測定，以保證所采樣的充足性。而后，又通過3年長期監(jiān)測分析出結(jié)構(gòu)同一部位自振頻率隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生的頻率變化，以此來分析結(jié)構(gòu)的退化程度和損傷。

4 測量結(jié)果分析

測得數(shù)據(jù)為加速度樣本數(shù)據(jù)，通過對加速度樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，可得到功率譜密度函數(shù)，通過功率譜密度圖像，東西兩罩棚在三年間測得頻率如圖6、圖7所示。

圖6 東罩棚自振頻率

圖7 西罩棚自振頻率

根據(jù)功率譜密度圖像可知，東西兩罩棚2018年7月、2019年7月與2020年10月所測得自振頻率基本保持不變，西罩棚自振頻率為0.865Hz，東罩棚自振頻率為0.83Hz。

為了更好地分析結(jié)構(gòu)退化程度，我們需要和結(jié)構(gòu)初始自振頻率相比較，由于主體育場建成后未進(jìn)行自振頻率的測定，所以無法得知結(jié)構(gòu)初始自振頻率，因此只能通過對sap2000軟件中所建立的體育場模型進(jìn)行模擬，得出理論頻率。

通過實(shí)測頻率與理論頻率的對比我們可知2018年～2020年結(jié)構(gòu)自振頻率和理論頻率的對比如下表所示。

東西罩棚頻率對比

5 結(jié)論

①根據(jù)該結(jié)構(gòu)所制定的監(jiān)測方案是切實(shí)可行的，可以較為準(zhǔn)確地測量出結(jié)構(gòu)的自振頻率。

②西罩棚當(dāng)前最小自振頻率為0.865Hz，和理論頻率相比退化程度為24.7%。東罩棚當(dāng)前自振頻率為0.83Hz，和理論頻率相比退化程度為19.2%。

③從數(shù)據(jù)來看，東西兩罩棚均有著一定的退化程度，但通過三年的連續(xù)觀測可知，結(jié)構(gòu)的退化程度并沒有出現(xiàn)明顯的加大趨勢，可推測該結(jié)構(gòu)在建成十年后內(nèi)部應(yīng)力的分布發(fā)展已經(jīng)趨于穩(wěn)定。