脈動法在某框架—核心筒結構安全性鑒定中的應用

劉 明 吉

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

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脈動法在某框架—核心筒結構安全性鑒定中的應用

劉 明 吉

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

結合上海市某辦公樓的結構特征，建立了該結構的ETABS計算模型，并采用脈動法對結構的安全性進行了鑒定，將軟件計算結果與現場實測數據作了對比，提高了結構鑒定的準確性。

辦公樓，框架—核心筒結構，脈動法，安全性

0 引言

建筑結構動力特性的測試，目前主要采用脈動測試的方法。來自地面車輛、機器運轉、地殼運動以及風振等自然隨機干擾力作用，其能引起建筑結構的微小振動。利用信號放大器，記錄設備及高靈敏度的拾振器記錄結構振動反應，利用隨機信號數據處理的技術，分析結構物的自振周期、阻尼等動力特性。它不需要利用額外的激振設備，對結構構件不造成損傷，也不影響建筑物內部正常使用，是一種簡便而有效的測定結構動力特性的方法[1]。

1 結構概況及計算模型

某辦公樓位于上海市黃浦區商業中心，為地下2層，地上36層的框架—核心筒結構。該房屋于1988年設計，1997年建設完成后作為綜合性辦公樓使用至今。建筑總高度為115.5 m，總建筑面積近2.7萬m2。房屋首層層高為6.0 m，其中在3.0 m處局部設有夾層，標準層層高為3.1 m，房屋標準層結構布置見圖1。因大廈房間功能進行重新規劃布置，統一對大樓進行整體改造。為了了解原結構的安全性能，本文采用了脈動法對該結構進行了實驗分析。為了對比軟件計算結果與現場實測數據，本結構整體模型采用結構分析軟件ETABS建立，模型如圖2所示。

2 脈動法原理

脈動法是通過測量建筑物在自然干擾力作用下產生的微小振動，來分析結構自振周期、阻尼等動力特性的方法。由結構動力學方程可知，多自由度結構振動模型可由N階微分方程描述[2]：

(1)

對式(1)兩邊進行Fourier變換，得：

X(w)=H(w)F(w)

(2)

其中,

(3)

自然界脈動源其頻譜平坦，可將其輸入功率譜近似為常數，因此結構頻響函數的頻譜特征與結構反應的頻譜特性一致。

頻響函數H(w)幅值為：

(4)

令：

有：

(5)

正常情況下，結構阻尼比ζ很小(ζ≤0.1)，可簡化為：w=w0。因此由曲線峰值所對應的頻率可近似為結構的自振頻率。

通過半功率點處所對應的頻率值可確定結構的阻尼比，即滿足方程：

(6)

方程的兩個解為：

(7)

(8)

則：

w2-w1=2ζw0

(9)

(10)

在結構脈動測試中，高靈敏的拾振器以固定的采樣頻率實時采集結構的速度、加速度或位移時程曲線。將采集的時程曲線進行快速傅里葉變換，轉換為頻率里的功率譜。這樣可以很容易地從功率譜的峰值點識別出結構的自振頻率，采用半功率法還可以計算出相應的阻尼比。

3 測試過程及結果

本次動測目的是為了獲得大樓自振頻率、阻尼。根據結構振動理論可知，結構第一振型為與豎軸無交點且無拐點的曲線，第二振型與豎軸有一個交點且有一個拐點。為了在測量過程中，能夠測得第二振型曲線上的拐點及與豎軸的交點，正確反映振型曲線的變化趨勢，測點的布置應較密集，相鄰兩測點間不應離得太遠。因此本次測量將在每兩層布置有測點，以保證動測能夠較準確反映房屋振型的變化形式，又不至于使測量工作太過繁瑣。每次按順序測試相鄰的三個樓面，分結構橫向(東西方向、X向)和縱向(南北方向、Y向)分別測試，每輪測試中，有一個樓面與下一輪測試的一個樓面重復(測試從最高層開始，由上往下測試)，以保證測試數據的連續和可比。動測得到結構振動的部分時域波形見圖3，圖4；根據實測的時域波形經過計算整理和傅里葉變換得到的部分自功率譜(頻域波形)見圖5，圖6；根據實測的時域波形整理、變換得到的部分幅值譜見圖7，圖8；根據實測波形獲得阻尼、周期識別結果見圖9，圖10。

4 測試過程分析

對動測結果的時域波形進行頻域分析后，所得結構的自振頻率見表1。

表1 結構實測頻率與計算頻率

動測結果顯示，結構基本自振周期為1.786 s(1/0.56 Hz)，與GB 50009—2012建筑結構荷載規范[2]給定的一般按經驗公式推算的結構自振周期值T1=0.06n=0.06×36=2.16 s有一定差異。根據ETABS計算結果與實測結果比較可知(見表1)，兩者在各階頻率之間均存在一定差異，頻率計算結果均比頻率實測結果小，即房屋的計算周期要大于實測周期。經分析其主要原因如下：

1)脈動法是通過拾取房屋在微弱環境振動下的響應而獲得結構的動力特性，因此結構的實際振動變形幅值很小，此時結構混凝土材料的彈性模量接近原點切線模量，另外部分結構構件的材料強度高于原設計強度，因此這些原因導致結構的混凝土彈性模量(E)增大，實際結構的剛度比建模計算的結構剛度大，因此結構實測周期要短；

2)實測結構有部分圍護墻，填充墻等非結構構件，其對結構的剛度也有貢獻，而建模計算中未考慮這部分非結構構件對結構剛度的影響；

3)對結構進行檢測時，房屋空無一人，并且室內的家具、設備等重物均已移出屋外，因此檢測時房屋的實際重量要小于計算模型的重量，這也會導致房屋實測的頻率偏大。

根據測量結果分析，結構的實測阻尼比介于2.8%～5.2%之間，平均為3.99%，屬正常，表明結構整體上無明顯的損傷。

[1] 李 斌，盧文勝，沈劍浩，等.高層建筑結構動力特性測試實例分析[J].結構工程師，2006，22(2)：63-66.

[2] 李國強，李 杰.工程結構動力檢測理論與應用[M].北京：科學出版社，2002.

[3] GB 50009—2012,建筑結構荷載規范[S].

The application of pulsating method in a frame-core tube structure safety identification

Liu Mingji

(ChinaRailwayShanghaiDesignInstituteGroupLimitedCompany,Shanghai200070,China)

Combining with the structural features of an office building in Shanghai, this paper established the ETABS calculation model of the structure, and using pulsating method identified the structure safety, compared the software calculation results and field data, improved the accuracy of structure identification.

office building, frame-core tube structure, pulsating method, safety

1009-6825(2017)14-0037-03

2017-03-08

劉明吉(1985- )，男，工程師

TU317

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