環境激勵下高層鋼結構醫療建筑動力特性測試

通過對某醫院門急診醫技綜合樓結構在環境激勵下的現場實測和模態參數識別，得到了該建筑結構的一階固有頻率和振型等動力特性。分析結果表明，結構整體動力特性參數識別結果與有限元計算結果吻合較好，結構建成后的實際工作狀態與設計結果較為一致。結果反映了結構設計措施合理、施工質量可靠，能夠保證結構達到預期的抗震、抗風、減振等設計目標，相關的技術措施可推廣應用于同類型鋼結構醫療建筑的設計和施工。

高層鋼結構；環境激勵；動力特性；模態參數識別

TU317A

工程結構工程結構

［定稿日期］2023-03-02

［作者簡介］張搏銳（1996—），男，碩士，研究方向為結構工程。

0" 引言

動力特性是反映結構質量和剛度分布特征、了解結構性能的重要指標，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譜法計算地震作用等提供基礎數據。由于實際結構的復雜性（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，設計中通常采用梁剛度放大、周期折減等進行簡化計算，給設計結果帶來一定的不確定性［1］。對于復雜結構、高層結構和采用新型樓蓋體系的結構等，采用實測方法獲得結構實際動力特性是了解結構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境激勵法等?；诃h境激勵的測試方法因其具有不會造成結構損傷，不會中斷結構的正常使用，不需要購買激振設備等優勢，已成為現今主要使用的動力特性測試方法［3］。目前，國內外學者已使用此方法對大量建筑結構的實際動力特性進行了研究，陳志鵬等［4］對三幢高層鋼結構進行了動力特性的實測，通過對比測試結果與實測經驗公式發現，用經驗公式估算在微小振幅下高層鋼結構的基本周期具有足夠的精度。Sasaki等［5］對日本137座鋼框架結構、25座鋼筋混凝土結構以及43座鋼框架混凝土結構的阻尼比實測數據進行了統計研究，結果表明建筑物越高，第一階模態阻尼比越小，且賓館和公寓的阻尼比要比其他結構高。張盼吉等［6］對完全相同的裝配式高層剪力墻結構和現澆結構在環境激勵下進行了現場實測振動分析，掌握了理論和實測自振周期等的差異。徐晨曦等［7］針對某醫院CT掃描室在設備運行狀態下振動過大的問題進行了動力特性測試研究，分析振動環境對工作舒適度及樓板結構安全的影響，并提出減振處理建議。然而，幾乎沒有學者對高層鋼結構醫療建筑進行動力特性測試的相關研究，尚不明確該類型建筑結構建成后的實際動力特性。

對某醫院新建門急診醫技綜合樓框架-支撐鋼結構醫療建筑在環境激勵條件下進行現場實測和模態參數識別，得到了結構的一階固有頻率、振型和模態阻尼比，將識別結果與SAP2000軟件計算結果進行比較分析。

1" 工程概況

某醫院門急診醫技綜合樓，全鋼結構裝配式建筑，抗震設防烈度9度（0.40g），抗震設防類別乙類，抗震等級一級，場地類別為Ⅱ類，基本風壓0.3 kN/m2，主體結構由塔樓和裙房兩部分組成，塔樓結構地上19層，屋頂結構標高79.45 m，屋頂設有停機坪，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-中心支撐鋼結構體系，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，立面呈單向對角單斜桿設置，樓蓋體系采用由預制鋼筋桁架樓承板和鋼梁共同組成的組合樓板體系；裙房結構地上層數為6層，高度23.65 m。地下室結構3層，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系。該工程于2018年11月9日開工建設，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" 主要測試儀器設備

現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字濾波組合抗混濾波，如圖2所示。

現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

為獲取門急診醫技綜合樓沿兩主軸方向的整體動力特性，分別在結構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時程?？紤]塔樓結構平面布置呈矩形，體型簡單規則，沿所有樓層樓蓋相同位置各布置1個振動傳感器，采樣頻率設置為50 Hz，全樓共計19個測點。受房屋高度限制，分2個區段進行測試，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，然后將各傳感器按相同方向旋轉90°后測試Y方向速度響應。

3" 動力特性測試結果及分析

采用DHDAS動態信號采集分析系統進行振動速度信號的數據采集和分析。

3.1" X、Y方向測試結果

為保證足夠的樣本數量，沿結構X、Y方向的采集時間均不低于30 min，典型測點的速度響應時程實測結果分別如圖4所示。

工程結構張搏銳： 環境激勵下高層鋼結構醫療建筑動力特性測試

3.2" X、Y模態參數識別

通過頻譜分析將各測點時程響應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。

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

將結構的測試結果與有限元計算結果對比發現，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，產生這樣結果的原因是因為實測時結構在環境激勵的微小振幅下，結構構件完全處于彈性工作狀態，剛度較大，且實測時結構還未完成裝修，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

根據實測速度信號識別的塔樓結構沿X、Y方向的振動形態以及SAP2000軟件計算得到的結構一階模態分析結果分別如圖6、圖7所示。

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

4" 主要結論

（1）結構整體動力特性參數識別結果與有限元計算結果吻合較好，表明設計計算的有限元模型真實有效，結構實際工作狀態與設計結果較為一致。

（2）塔樓結構一階自振頻率識別結果與有限元計算結果相近且略大于后者，表明結構在實際微幅振動下的剛度較大，可以保證結構的正常使用。

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

參考文獻

［1］" 朱偉，黃怡萍，秦敬偉.梁剛度放大系數的探討［J］.建筑結構，2013，43（S1）：643-648.

［2］" 徐建.建筑振動工程手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2016.

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

［4］" 陳志鵬，王宗綱.幾幢高層鋼結構建筑動力特性的實測與分析［J］.工程力學，2001（A3）：286-290.

［5］" Sasaki A，Satake N，Tamura，et al. Damping evaluation using full-scale data of buildings in Japan［J］. Journal of Structural Engineering，2003，129（4）：470-477.

［6］" 張盼吉，武啟明，馬錦姝，等.同條件裝配式與現澆式高層剪力墻結構振動模態對比測試及分析研究［J］.建筑結構，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，2015，44（S2）：581-583.