環(huán)境激勵下高層鋼結(jié)構(gòu)醫(yī)療建筑動力特性測試

通過對某醫(yī)院門急診醫(yī)技綜合樓結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的現(xiàn)場實測和模態(tài)參數(shù)識別，得到了該建筑結(jié)構(gòu)的一階固有頻率和振型等動力特性。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)整體動力特性參數(shù)識別結(jié)果與有限元計算結(jié)果吻合較好，結(jié)構(gòu)建成后的實際工作狀態(tài)與設(shè)計結(jié)果較為一致。結(jié)果反映了結(jié)構(gòu)設(shè)計措施合理、施工質(zhì)量可靠，能夠保證結(jié)構(gòu)達到預(yù)期的抗震、抗風(fēng)、減振等設(shè)計目標，相關(guān)的技術(shù)措施可推廣應(yīng)用于同類型鋼結(jié)構(gòu)醫(yī)療建筑的設(shè)計和施工。

高層鋼結(jié)構(gòu)；環(huán)境激勵；動力特性；模態(tài)參數(shù)識別

TU317A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-03-02

［作者簡介］張搏銳（1996—），男，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。

0" 引言

動力特性是反映結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布特征、了解結(jié)構(gòu)性能的重要指標，包括自振頻率、振型和阻尼比等，可為進一步利用振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于實際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（梁板共同作用、填充墻影響等），動力特性指標一般難以通過理論分析確定，設(shè)計中通常采用梁剛度放大、周期折減等進行簡化計算，給設(shè)計結(jié)果帶來一定的不確定性［1］。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)和采用新型樓蓋體系的結(jié)構(gòu)等，采用實測方法獲得結(jié)構(gòu)實際動力特性是了解結(jié)構(gòu)實際工作性能的有效手段［2］。

動力特性測試方法可分為強迫振動法和環(huán)境激勵法等。基于環(huán)境激勵的測試方法因其具有不會造成結(jié)構(gòu)損傷，不會中斷結(jié)構(gòu)的正常使用，不需要購買激振設(shè)備等優(yōu)勢，已成為現(xiàn)今主要使用的動力特性測試方法［3］。目前，國內(nèi)外學(xué)者已使用此方法對大量建筑結(jié)構(gòu)的實際動力特性進行了研究，陳志鵬等［4］對三幢高層鋼結(jié)構(gòu)進行了動力特性的實測，通過對比測試結(jié)果與實測經(jīng)驗公式發(fā)現(xiàn)，用經(jīng)驗公式估算在微小振幅下高層鋼結(jié)構(gòu)的基本周期具有足夠的精度。Sasaki等［5］對日本137座鋼框架結(jié)構(gòu)、25座鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及43座鋼框架混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比實測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計研究，結(jié)果表明建筑物越高，第一階模態(tài)阻尼比越小，且賓館和公寓的阻尼比要比其他結(jié)構(gòu)高。張盼吉等［6］對完全相同的裝配式高層剪力墻結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下進行了現(xiàn)場實測振動分析，掌握了理論和實測自振周期等的差異。徐晨曦等［7］針對某醫(yī)院CT掃描室在設(shè)備運行狀態(tài)下振動過大的問題進行了動力特性測試研究，分析振動環(huán)境對工作舒適度及樓板結(jié)構(gòu)安全的影響，并提出減振處理建議。然而，幾乎沒有學(xué)者對高層鋼結(jié)構(gòu)醫(yī)療建筑進行動力特性測試的相關(guān)研究，尚不明確該類型建筑結(jié)構(gòu)建成后的實際動力特性。

對某醫(yī)院新建門急診醫(yī)技綜合樓框架-支撐鋼結(jié)構(gòu)醫(yī)療建筑在環(huán)境激勵條件下進行現(xiàn)場實測和模態(tài)參數(shù)識別，得到了結(jié)構(gòu)的一階固有頻率、振型和模態(tài)阻尼比，將識別結(jié)果與SAP2000軟件計算結(jié)果進行比較分析。

1" 工程概況

某醫(yī)院門急診醫(yī)技綜合樓，全鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑，抗震設(shè)防烈度9度（0.40g），抗震設(shè)防類別乙類，抗震等級一級，場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓0.3 kN/m2，主體結(jié)構(gòu)由塔樓和裙房兩部分組成，塔樓結(jié)構(gòu)地上19層，屋頂結(jié)構(gòu)標高79.45 m，屋頂設(shè)有停機坪，平面形狀呈矩形，沿高度方向局部體型收進，7層以下平面尺寸為49.2 m×50.4 m，塔樓7層及以上樓層豎向收進后平面尺寸49.2 m×36.9 m，采用框架-中心支撐鋼結(jié)構(gòu)體系，各層均布置有普通鋼支撐，第3～14樓層每層沿主軸X、Y方向外邊框各對稱布置2個粘滯阻尼器，立面呈單向?qū)菃涡睏U設(shè)置，樓蓋體系采用由預(yù)制鋼筋桁架樓承板和鋼梁共同組成的組合樓板體系；裙房結(jié)構(gòu)地上層數(shù)為6層，高度23.65 m。地下室結(jié)構(gòu)3層，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。該工程于2018年11月9日開工建設(shè)，2021年10月投入使用，如圖1所示。

2" 測點布置及測試工況

2.1" 主要測試儀器設(shè)備

現(xiàn)場測試所用振動信號采集儀為DH8303B，具有32通道，濾波方式為每通道獨立的模擬濾波和實時數(shù)字濾波組合抗混濾波，如圖2所示。

現(xiàn)場測試所用低頻高分辨率磁電式振動傳感器型號為2D001，靈敏度：0.3 V/（m·s-2），頻率范圍：0.25～100 Hz，如圖3所示。

2.2" 測點布置及工況

為獲取門急診醫(yī)技綜合樓沿兩主軸方向的整體動力特性，分別在結(jié)構(gòu)每層樓蓋相同位置處布置測點，采集各層樓蓋沿水平方向微幅振動時的速度響應(yīng)時程?？紤]塔樓結(jié)構(gòu)平面布置呈矩形，體型簡單規(guī)則，沿所有樓層樓蓋相同位置各布置1個振動傳感器，采樣頻率設(shè)置為50 Hz，全樓共計19個測點。受房屋高度限制，分2個區(qū)段進行測試，分別為第1～9層和10～19層，選取第18層測點作為參考點，并在第10層布置一個測站。

動力特性的測試工況根據(jù)傳感器方向分為2種：各層樓板傳感器先沿X方向安裝固定測試速度響應(yīng)，然后將各傳感器按相同方向旋轉(zhuǎn)90°后測試Y方向速度響應(yīng)。

3" 動力特性測試結(jié)果及分析

采用DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)進行振動速度信號的數(shù)據(jù)采集和分析。

3.1" X、Y方向測試結(jié)果

為保證足夠的樣本數(shù)量，沿結(jié)構(gòu)X、Y方向的采集時間均不低于30 min，典型測點的速度響應(yīng)時程實測結(jié)果分別如圖4所示。

工程結(jié)構(gòu)張搏銳： 環(huán)境激勵下高層鋼結(jié)構(gòu)醫(yī)療建筑動力特性測試

3.2" X、Y模態(tài)參數(shù)識別

通過頻譜分析將各測點時程響應(yīng)曲線計算為頻譜曲線，典型測點沿X、Y方向的幅值譜曲線分別如圖5所示。

可以看出結(jié)構(gòu)沿兩主軸方向的振動能量均主要集中于低頻段，根據(jù)各測點頻譜曲線響應(yīng)峰值識別得到的結(jié)構(gòu)第一階自振頻率、有限元計算頻率和阻尼比結(jié)果列于表1中。

將結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，沿X、Y軸方向自振頻率的識別值和計算值較為接近，略大于計算值，產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是因為實測時結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵的微小振幅下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全處于彈性工作狀態(tài)，剛度較大，且實測時結(jié)構(gòu)還未完成裝修，實際荷載相對理論計算采用荷載值較小，即自重較小。

3.3" 變形模式

根據(jù)實測速度信號識別的塔樓結(jié)構(gòu)沿X、Y方向的振動形態(tài)以及SAP2000軟件計算得到的結(jié)構(gòu)一階模態(tài)分析結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

該框架-支撐塔樓結(jié)構(gòu)沿兩主軸方向的振動形態(tài)識別結(jié)果與有限元計算結(jié)果具有較好的一致性，變形模式均表現(xiàn)為彎曲-剪切型（反“S”形），符合高層框架-支撐鋼結(jié)構(gòu)體系的一般變形特征，所用的計算模型能夠反映結(jié)構(gòu)的實際受力特征。

4" 主要結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)整體動力特性參數(shù)識別結(jié)果與有限元計算結(jié)果吻合較好，表明設(shè)計計算的有限元模型真實有效，結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)與設(shè)計結(jié)果較為一致。

（2）塔樓結(jié)構(gòu)一階自振頻率識別結(jié)果與有限元計算結(jié)果相近且略大于后者，表明結(jié)構(gòu)在實際微幅振動下的剛度較大，可以保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

（3）該塔樓結(jié)構(gòu)沿兩主軸方向的振動形態(tài)識別結(jié)果與有限元計算結(jié)果均顯示其側(cè)向變形模式為彎曲-剪切型（反“S”形），符合高層框架-支撐結(jié)構(gòu)體系的變形特征。

參考文獻

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［3］" 李飛燕，邵奕夫，呂加成，等.環(huán)境激勵下底層柱頂隔震結(jié)構(gòu)動力特性測試分析［J］.工業(yè)建筑，2016，46（1）：71-74.

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［6］" 張盼吉，武啟明，馬錦姝，等.同條件裝配式與現(xiàn)澆式高層剪力墻結(jié)構(gòu)振動模態(tài)對比測試及分析研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2020（S1）：561-565.

［7］" 徐晨曦，張華棟，楊彪.CT掃描室樓板動力特性測試及分析［J］.施工技術(shù)，2015，44（S2）：581-583.