青島體育中心體育場主體結構動力特性測試

孫兆江 劉曉東 畢仕青 孫家偉

(青島國信體育公司，山東青島 266035)

1 青島體育中心體育場簡介

青島市體育中心體育場位于青島市體育中心內，是青島市的標志性大型公共體育建筑。體育中心體育場占地18萬m2，設計容納4.5萬名觀眾。中心體育場自1996年2月開始建設，1999年8月竣工，2013年進行維修改造。體育場主體結構為現澆鋼筋混凝土框架結構，框架結構高度約30 m，建筑總高度約42 m?？蚣苤饕孛娉叽?00 mm×500 mm，500 mm×750 mm，500 mm×800 mm以及1 000 mm×2 000 mm，框架梁主要截面尺寸300 mm×750 mm，500 mm×800 mm。主體框架結構上方覆有十分新穎的脊谷式索膜張拉結構的巨型罩棚，覆蓋場內觀眾席位(見圖1)。

圖1 青島體育中心體育場

為了解該結構的實際動力特性，采用基于環(huán)境激勵的動力檢測技術對體育場主體結構開展了現場測試，本文總結了結構測試的結果。

2 測試方法與步驟

1)測試儀器。本次動力檢測采用加速度傳感器，傳感器靈敏度指標49.46 v/g～50.06 v/g。數據采集系統(tǒng)為兼具信號放大與采集功能的高靈敏度采集儀。另備便攜式筆記本電腦若干臺。振動測試儀器需要滿足JGJ/T 170-2009城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準規(guī)定的要求。所以采用適合于振動測試的法國朗斯(LC0132T)高靈敏度壓電加速度傳感器，以及數據采集系統(tǒng)及筆記本電腦等，記錄場地內的地脈動。

2)測試步驟。測試時將加速度傳感器接到信號采集儀測量通道，接通電腦電源;然后對傳感器進行編號，并將其和相應通道及采集點位置記錄下來。打開采集儀電源，然后進行儀器調試，若采集儀各個通道正常工作，開始測試，測試過程中記錄各項環(huán)境參數，減少人員走動對測試結果的影響，每組測試時間不少于30 min，測試頻率統(tǒng)一定為200 Hz，測試記錄的長度可保證后續(xù)譜分析的精度與分辨率。

3)測點布置。根據體育場主體結構的特點，將其分為四個子結構進行動力測試與性能評估。四個子結構分別為:東看臺、西看臺、南看臺及北看臺。各部分子結構為變高度斜屋面的鋼筋混凝土框架結構。根據結構大體對稱的特點，第一階段測試選擇在西看臺和北看臺子結構框架，分別進行了兩個水平方向及豎直方向動力特性的測試。

3 測試結果

3.1 動力特性識別

快速分析階段，采用譜分析方法由實測振動信號分析了體育場總體結構的振動頻率、阻尼比以及振型，部分典型分析結果如圖2所示。

3.2 測試結果

3.2.1 動力特性:北看臺

1)北看臺主體結構為帶斜板的空間框架結構體系，其振動特性比較復雜，具有典型的頻率密集特點。北看臺主體結構的測試頻率集中在2 Hz～10 Hz，主導振型處于2 Hz～5 Hz區(qū)間。其中第一振型(繞圓心的環(huán)向振動)頻率測試值變化范圍為2.0 Hz～2.978 5 Hz，穩(wěn)定值2.490 2 Hz;第二振型(向圓心的徑向振動)頻率測試值變化范圍為 3.564 5 Hz～4.052 7 Hz，穩(wěn)定值3.906 3 Hz;第三振型(扭轉振動)頻率測試值變化范圍為 4.637 8 Hz～4.785 2 Hz，穩(wěn)定值為 4.687 5 Hz。

2)采用半帶寬譜分析方法計算振型阻尼比，由于頻率密集的影響，北看臺主體結構振型阻尼比的測試結果比較離散，測試值變化范圍為1.04% ～3.42%區(qū)間。由于采用環(huán)境激勵的微振測試方法，因此阻尼比值會偏小。

3)由于隔墻、房間布置等原因，現場無法設置整體結構的統(tǒng)一參考測試點，振型分析以計算模型為主，前三階振型形狀如圖3所示。

圖2 部分典型分析結果

圖3 北看臺一至三階振型示意圖

3.2.2 動力特性:西看臺

1)西看臺主體結構為帶斜板的空間框架結構體系，相對北看臺體量更大，振動特性更為復雜，存在有局部振動且扭轉振動效應突出，呈現典型的頻率密集特點。西看臺主體結構的測試頻率集中在2 Hz～10 Hz，主導振型處于2 Hz～5 Hz區(qū)間。其中第一振型(繞圓心的環(huán)向振動)頻率測試值變化范圍為2.197 3 Hz～2.880 9 Hz，穩(wěn)定值2.246 1 Hz;由于扭轉效應的存在，因此西看臺第二階后的振型非常密集，測試值變化范圍在3.17 Hz～4.101 6 Hz區(qū)間，因不同測點受扭轉影響不同，沒有明顯的穩(wěn)定值。由于西看臺較北看臺更長，因此上述測試結果合理。

2)采用半帶寬譜分析方法計算振型阻尼比，西看臺主體結構振型阻尼比測試結果比較離散，變化范圍為1.25% ～4.13%區(qū)間。由于采用環(huán)境激勵的微振測試方法，因此阻尼比值會偏小。

3)由于隔墻、房間布置等原因，現場無法設置整體結構的統(tǒng)一參考測試點，振型分析以計算模型為主，由于存在較多扭轉振型，因此給出前四階振型形狀如圖4所示。

圖4 西看臺一至四階振型示意圖

4 結語

1)采用動力性能測試方法對青島體育中心體育場主體鋼筋混凝土結構的西看臺和北看臺部分進行了檢測。西看臺和北看臺動力測試結果表明，結構不同部位存在有程度不同的材料強度的退化或局部損傷問題。與數值計算模型的對比表明，西看臺的結構現狀略好于北看臺。2)采用有限單元法對北看臺進行了建模，計算了整體結構的振型和頻率值。計算表明，北看臺前10階振動頻率變化范圍為2.989 Hz～11.754 Hz，其中第一至二階振型頻率為2.989 Hz和4.036 Hz，高于實測值，說明整體結構存在較明顯的剛度下降情況。3)采用有限單元法對西看臺進行了建模，計算了整體結構的振型和頻率值。計算表明，西看臺振型十分密集，前12階振動頻率變化范圍為2.38 Hz～9.70 Hz，其中第一階頻率略高于實測值，說明整體結構存在剛度下降情況。