加固后鋼筋混凝土框剪結構動力測試及性能分析

田昱峰

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

1 工程概況

某高層商住樓主體結構為地下1層，地上17層的鋼筋混凝土框剪結構，結構高度為56.45 m，裙樓結構為地下1層，地上3層的鋼筋混凝土框架結構。該高層商住樓主體結構于2006年年底開工建設，在施工階段經檢測發現該樓主體及裙樓－1層～6層結構構件混凝土強度未能達到設計要求，造成結構構件實際承載力顯著下降。為此，對混凝土梁采用粘鋼加固，對混凝土柱采用加大截面法和外包型鋼法加固，對混凝土剪力墻采用加大截面法(墻肢延長及墻體加厚)及混凝土筏板基礎加厚進行加固。加固工程完工后，又繼續施工完成了7層以上主體結構。本文通過對該樓加固后結構的動力特性進行測試分析，對該樓現有結構整體性能進行了客觀評價。

2 結構動力特性現場測試過程及結果

2.1 建筑結構動力特性測試方法

現場采用環境脈動法測試結構的動力特性。環境脈動試驗是利用高靈敏度的傳感器、放大記錄設備、借助于隨機信號數據處理技術，利用環境脈動激勵量測建筑物的響應，分析確定建筑的動力特性的一種有效而簡便的方法。測試設備為INV-6智能信號采集處理分析系統和891-Ⅱ型拾振器。利用該套測試系統進行環境脈動試驗，可順利完成測試數據從采集、濾波、時域到頻域轉換的全過程，從測試數據中判別出結構的各階自振頻率，根據實測的自振頻率測得結構的振型。測試系統示意圖見圖1。

2.2 結構動力特性現場測試過程

將每一樓層作為一個集中質量的質點來考慮，在每一樓層的地板上布置測點，安放傳感器。環境脈動測試在夜間進行(晚22:00～次日7:00)，對結構分別進行水平方向(橫向和縱向)振型及扭轉振型的測試。首先進行結構水平方向(橫向和縱向)上結構振型的測試。在結構各層樓板形心擺放好傳感器后，連接好導線，接通測試儀器設備，開始測試。開啟設備及測試軟件后，進行示波，對示波波形進行歸一化調試后，開始采樣，每次采樣時間為20 min，采樣完畢后自動保存。每個測點均進行結構縱、橫兩個方向上的測試，一次測量完成后，基準點的傳感器不動，其他傳感器按照事先計劃好的順序調整位置，重新擺放，開始第二次測量，直到該組測試工作完成。然后進行結構扭轉振型的測試，進行結構扭轉振型測試時只是傳感器擺放位置不同于結構水平方向振型測試，其余過程同上述。

結構平面上測試點位置見圖2。測試時在每層均布置測點，且在每一個量測層中，各測點位置均相同。

2.3 測試結果

表1給出了加固后結構前3階的模態頻率和阻尼實測值。

2.4 結果分析

表1 采用不同方法得到的結構自振周期及頻率

由結構實測振型曲線可看出，底部3層結構的脈動響應較小，4層及4層以上各層結構的脈動響應較大，在4層交界處可明顯看出存在響應突變，4層及4層以上各層結構振型曲線連續，略有突變，不是十分光滑。實測振型曲線的形式較真實的反映了該樓現有結構的目前情況，結構底部3層為帶裙樓的大底盤結構，結構質量及結構側向剛度和扭轉剛度明顯大于上部主體結構;4層～8層結構的填充墻已經施工完畢，樓層的質量和剛度相對9層及9層以上尚未進行填充墻施工的樓層均為大;而9層樓面和10層樓面上堆放了大量的建筑材料，改變了該兩層結構的質量。高層商住樓現場各層實際存在的剛度突變和質量突變都將不可避免的在結構振型曲線上反映出來。

3 高層商住樓現有結構有限元仿真分析

本文采用有限元程序Midas的前處理模塊，根據結構幾何尺寸、材料參數，建立結構三維有限元分析模型，進行結構模態有限元分析，得到結構自振頻率、周期及振型曲線圖等結構動力特性參數的理論解。采用Midas軟件建立的結構有限元模型見圖3。

表1給出了結構前3階水平橫向、水平縱向及扭轉的自振周期和頻率的理論解。結構自振周期應考慮非承重墻體的剛度影響予以折減。當非承重墻體為填充磚墻時，對框架—剪力墻結構的計算周期自振折減系數可取0.7～0.8，考慮到目前結構填充墻體尚未施工完畢，不宜折減過多，故折減系數取0.8。

4 高層商住樓現有結構工作性能分析

由表1數據對比可知，兩種方法得到的結構自振周期與頻率雖不盡相同，但差別不大，結構實測振型同理論計算振型基本相符。由于理論計算過程中，要先確定計算簡圖和結構剛度，而實際結構往往是比較復雜的，計算簡圖都要經過簡化，通常像填充墻等非結構構件并不計入結構剛度，而且結構的質量分布、材料的實際性能、施工質量等都難以非常精確地計算。因此理論計算求得的結構自振頻率與實際結構的自振頻率是存在一定誤差的。

該結構兩個主軸方向(水平橫向與水平縱向)的實測自振周期(頻率)較為接近，滿足結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近的原則。對于A級高度高層建筑，其以結構扭轉為主的第一自振周期Tt與以平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.9，由Midas給出的結構自振周期值(折減后)經計算，該比值不大于0.9。由實測結構自振周期值經計算，該比值略大于0.9，但考慮到測試時結構實際的質量與剛度分布情況，待結構完成全部施工后，該結構的扭轉振動頻率與平移振動頻率會相差更大，滿足該比值。總體上看，結構實際振動仍以縱、橫兩個方向的水平振動為主。

結構理論計算周期、實測周期與經驗公式計算周期三者較為接近，說明經加固施工后的該高層商住樓現有結構具有一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結構應有的質量和剛度分布。現有整體結構實測振型曲線總體連續，突變較大處為裙樓與主樓交接部位(由于結構設計原因，這一情況是無法避免的)，主樓上部結構實測振型曲線較為連續、均勻，存在的小突變與現場實際施工情況(主要是填充墻的施工進度)有關，待施工完畢后，此情況必有改觀?？傮w上看，該樓加固后結構的抗側力構件工作性能較好，實際結構整體性、剛度及質量的分布情況亦較好。

5 結語

高層商住樓加固后結構整體性實測振型曲線總體連續，抗側力構件工作性能較好，結構的質量和剛度分布符合一般鋼筋混凝土框架—剪力墻結構應有的質量和剛度分布規律，經加固施工后的結構能夠滿足設計使用要求。

[1]GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[2]JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]GB 50010-2010，建筑抗震設計規范[S].