鋼筋混凝土預(yù)制板動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

孟慶峰 朱東新 莫靜琳 劉 東 晏金山

（1. 中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 長(zhǎng)沙市 410014；2. 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007；3. 湖南省高速公路管理局湘西管理處 吉首市416000；4.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 長(zhǎng)沙市 410008）

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一般包括結(jié)構(gòu)自振頻率、振型及阻尼等。它是結(jié)構(gòu)所固有的特性，能準(zhǔn)確反映出結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能[1～3]。而對(duì)于工程結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)和測(cè)量的恰是結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)和物理參數(shù)[4]，進(jìn)而評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能、判別結(jié)構(gòu)損傷的方法即為結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)方法可不受結(jié)構(gòu)規(guī)模和隱蔽部位的限制，只要在可接觸到的結(jié)構(gòu)部位安裝動(dòng)力響應(yīng)傳感器即可[5]。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)測(cè)試分析了一根從服役30年的房屋結(jié)構(gòu)上拆除下來(lái)的一塊預(yù)制板的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性（自振頻率、振型及阻尼），通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果判明了其總體結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)在力學(xué)性能。

1 預(yù)制板動(dòng)力特性測(cè)試與分析

1.1 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)測(cè)試構(gòu)件為某房屋結(jié)構(gòu)預(yù)制板，板長(zhǎng)340 cm，寬46 cm，厚12 cm，板內(nèi)有預(yù)留直徑為7.5 cm的圓形孔洞4 個(gè)，等間距布置。

通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)分析該預(yù)制板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性（自振頻率、振型及阻尼）、判斷其總體結(jié)構(gòu)剛度和內(nèi)在力學(xué)特性[6]。試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè)；結(jié)構(gòu)振型檢測(cè)。試驗(yàn)所需主要儀器設(shè)備為：振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)CRAS7.0；941B 型加速度傳感器等。

1.2 試驗(yàn)方案

結(jié)構(gòu)在外部激振影響下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。測(cè)量結(jié)構(gòu)上的這種微小隨機(jī)響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)頻譜分析可以得出該預(yù)制板的自振頻率和振型等動(dòng)力特性。試驗(yàn)擬利用導(dǎo)納法來(lái)測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，導(dǎo)納法測(cè)量結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性已經(jīng)被多次證明是適合于較低頻結(jié)構(gòu)測(cè)試的方法[7]。

加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置一般按照結(jié)構(gòu)振型形狀，在變位較大的部位布置測(cè)點(diǎn)，盡可能避開(kāi)各階振型的節(jié)點(diǎn)[8]。因此事先理論計(jì)算了結(jié)構(gòu)前3 階振型的形狀，并依此布置結(jié)構(gòu)上的測(cè)點(diǎn)位置，結(jié)果共設(shè)置了18 個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1 所示）。試驗(yàn)采用單點(diǎn)移動(dòng)測(cè)試技術(shù)與模態(tài)合成技術(shù)相結(jié)合，固定一個(gè)測(cè)點(diǎn)（固定第14 號(hào)測(cè)點(diǎn)）移動(dòng)另一個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的采集與分析獲取全結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息[9]。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)擬采集結(jié)構(gòu)的加速度，通過(guò)在固定測(cè)點(diǎn)處設(shè)置的豎向941B 型傳感器采集。微小的結(jié)構(gòu)加速度信號(hào)通過(guò)低通濾波放大器（AZ804）濾波放大，然后由數(shù)據(jù)采集箱（AZ308）采集，最后通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的軟件分析，得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

圖1 預(yù)制板模態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）測(cè)點(diǎn)頻域波形圖及頻譜圖。通過(guò)振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集到各測(cè)點(diǎn)的頻域波形曲線，為節(jié)省篇幅，圖2～圖5 給出了部分測(cè)點(diǎn)的頻域波形曲線。

圖2 測(cè)點(diǎn)4 頻域波形曲線

圖3 測(cè)點(diǎn)8 頻域波形曲線

圖4 測(cè)點(diǎn)12 頻域波形曲線

圖5 測(cè)點(diǎn)16 頻域波形曲線

通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)所采集到的各測(cè)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，得到預(yù)制板全結(jié)構(gòu)的頻譜圖如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)頻譜圖

（2）自振頻率與振型。

①理論計(jì)算的自振頻率與振型。通過(guò)ANSYS建模計(jì)算[10-12]，該預(yù)制板結(jié)構(gòu)的自振頻率如表1，相應(yīng)的理論振型如圖7 所示。從結(jié)構(gòu)振型圖7 可以看出，結(jié)構(gòu)第一階振型表現(xiàn)為沿Y 向(結(jié)構(gòu)豎向)的整體上下彎曲振動(dòng)；第二階振型表現(xiàn)為沿Y 方向（結(jié)構(gòu)豎向）的反向?qū)ΨQ上下振動(dòng)；第三階振型表現(xiàn)為Y 方向（結(jié)構(gòu)豎向）的3 波峰對(duì)稱上下振動(dòng)[13-15]。

表1 結(jié)構(gòu)理論自振頻率

圖7 結(jié)構(gòu)理論振型圖

圖8 一階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果-結(jié)構(gòu)整體一階對(duì)稱豎彎

圖9 二階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果-結(jié)構(gòu)二階反對(duì)稱豎彎

圖10 三階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果-結(jié)構(gòu)三階對(duì)稱豎彎

②實(shí)測(cè)的自振頻率與振型。由上述采集的各測(cè)點(diǎn)頻域波形圖，通過(guò)頻譜分析，可得出各階自振頻率如表2。前3 階模態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8～圖10 所示。

表2 結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)自振頻率

2 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土預(yù)制板進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力模態(tài)測(cè)試分析，得到以下結(jié)論：

采用隨機(jī)振動(dòng)的導(dǎo)納測(cè)量方法，所得各階振動(dòng)模態(tài)分階清楚，且和理論振型較為吻合，說(shuō)明本試驗(yàn)所采用的測(cè)試方法是可行的，測(cè)試結(jié)果是可靠的。由模態(tài)試驗(yàn)實(shí)測(cè)基頻和理論計(jì)算值對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)基頻略大于理論計(jì)算值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度比理論剛度大，各部件整體性能較好。

[1] 李國(guó)強(qiáng)，李杰.工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2] 林偉平，黃向京，丁立. 鋼網(wǎng)面板加筋土擋墻動(dòng)力特性試驗(yàn)的變形研究[J].公路工程，2011，37（5）：23-28.

[3] 黃向京，王祥，王維，等.雙絞合六邊形金屬網(wǎng)加筋格賓擋墻地震動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J]. 公路工程，2009，35（5）：36-40.

[4] 張振浩，楊偉軍.基于復(fù)振型分解的多自由度非線性體系動(dòng)力可靠性研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2012，32（3）：8-15.

[5] 劉明.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測(cè)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6] 張振浩，楊偉軍.基于復(fù)模態(tài)隨機(jī)響應(yīng)的鋼筋混凝土梁橋抗震可靠度分析[J]. 橋梁建設(shè)，2014，44（1）：69-75.

[7] 孫文波，梁蜜勤.剪力墻結(jié)構(gòu)高階自振頻率計(jì)振型的一種近似計(jì)算方法[J]. 西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2000，17（2）：21-25.

[8] 李杰，李國(guó)強(qiáng).上海金茂大廈結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（2）：35-39.

[9] 施衛(wèi)星，魏丹，韓瑞龍.鋼結(jié)構(gòu)房屋動(dòng)力特性脈動(dòng)法測(cè)試研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2012，32（1）：56-61.

[10] 任輝啟.ANSYS7.0 工程分析實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[11] 郝文化.ANSYS 土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

[12] 陳精一，蔡國(guó)忠. 電腦輔助工程分析ANSYS 使用指南[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.

[13] 薛剛，胡行飛.體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁固有頻率研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，37（4）：89-93.

[14] 張振浩，楊偉軍. 非線性體系動(dòng)力可靠性分析的等效Duffing 體系法[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012，34(3)：70-75.

[15] Zhenhao Zhang, Weijun Yang, Zhigang He. Experiment and theory study on ultimate bearing capacity of reinforced concrete tubular hollow continuous slab [J]. Applied Mechanics and Materials, v 204-208, p 782-785，2012.