陳 穎

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建福州 350025)

引 言

建筑工業(yè)化是建筑業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一，所謂建筑工業(yè)化是指將工業(yè)化生產(chǎn)的方式運(yùn)用于建筑業(yè)生產(chǎn)，使建筑標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)規(guī)范化、施工機(jī)械化、配套技術(shù)工廠化、管理科學(xué)化。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建立了多種適合工業(yè)化建筑的成熟的結(jié)構(gòu)體系，適合我國(guó)工業(yè)化建筑的結(jié)構(gòu)體系正在完善、成熟中，工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)體系是我國(guó)建筑工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系中的一個(gè)重要分支。本文對(duì)某工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑的周期、振型等動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)結(jié)果與PKPM設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，分析，為類(lèi)似工程的測(cè)試和設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)。

1 工程概況

圖1 一層建筑平面布置示意圖

圖2 三層建筑平面布置示意圖

圖3 邊柱節(jié)點(diǎn)示意圖

某綜合樓一樓為廚房和餐廳，二、三、四樓為辦公室，一層層高為4.2m，其余層層高均為3.3m，其中一層鋼柱下設(shè)置高0.9m混凝土墩;結(jié)構(gòu)形式為四層全螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼裝斜撐梁柱承重鋼框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力管樁。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在邊角柱和主鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)置鋼斜撐形成帶斜撐梁柱，中柱與主鋼梁節(jié)點(diǎn)為無(wú)斜撐梁柱節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)連接全部采用高強(qiáng)度螺栓連接。鋼柱均為高3.3m方鋼管柱，邊長(zhǎng)為200mm、壁厚為10mm，鋼梁均采用格構(gòu)式鋼桁架梁，鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板澆筑混凝土形成主板架。該工程為工業(yè)化建筑，所有承重構(gòu)件均在工廠預(yù)制完成后現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成，四層結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間不到兩天。具體建筑平面布置見(jiàn)(圖1、圖2)，節(jié)點(diǎn)示意見(jiàn)(圖3、圖4)，結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)(圖5、圖6)，測(cè)試時(shí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀見(jiàn)(圖7～圖10)。

2 動(dòng)力特性測(cè)試

本次測(cè)試采用脈動(dòng)法測(cè)試，依次采用設(shè)置參數(shù)、采樣、濾波編輯、分析、模態(tài)分析、示波的步驟。

圖4 中柱節(jié)點(diǎn)示意圖

圖5 二至四層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

圖6 屋面層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

圖7 結(jié)構(gòu)外觀

圖8 梁板結(jié)構(gòu)

圖9 中柱和主梁節(jié)點(diǎn)

圖10 邊柱斜撐

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了消除結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響，只獲得建筑物的平移振動(dòng)，應(yīng)盡可能將傳感器布置在建筑物的剛度中心?？紤]到實(shí)際測(cè)試時(shí)剛度中心較難確定，本次試驗(yàn)在各樓層建筑幾何中心各布置一個(gè)速度傳感器，采用脈動(dòng)測(cè)試法分別測(cè)量X、Y兩個(gè)方向的水平振動(dòng)，傳感器布置于樓面上(圖11)。

圖11 傳感器布置示意圖

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

本次測(cè)試采樣頻率為500HZ，運(yùn)用輸入未知時(shí)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別的方法，對(duì)測(cè)試獲得的時(shí)域記錄進(jìn)行離散傅立葉變換，從而獲得各樓層質(zhì)點(diǎn)在一定頻帶范圍內(nèi)的頻譜曲線。(圖12、13)分別為二層至屋面層X(jué)方向、Y方向自功率譜圖。從圖中可以看出，二層至屋面層X(jué)方向一階固有振動(dòng)循環(huán)頻率均為 2.69HZ，自振幅值分別 0.0499、0.1095、0.1491、0.1759;Y方向一階固有振動(dòng)循環(huán)頻率均為2.44HZ，自振幅值分別0.0429、0.0834、0.1343及0.1403。圖14至圖16為 X方向二層、三層，二層、四層，二層、五層互譜相干函數(shù)。從圖中可以看出一階相干函數(shù)分別為0.988、0.985、0.985，二階相干函數(shù)分別為0.928、0.917、0.915;圖17至圖19為Y方向二層、三層，二層、四層，二層、五層互譜相干函數(shù)。從圖中可以看出一階相干函數(shù)分別為0.996、0.996、0.995，二階相干函數(shù)分別為0.993、0.948、0.975，相干函數(shù)均接近1，表明二者具有良好的相關(guān)性，分辨得的自振頻率是可靠的。

圖12 X方向二層至屋面層自功率譜

圖13 Y方向二層至屋面層自功率譜

圖14 X方向二層、三層互譜相干函數(shù)

2.3 測(cè)試的振型

多自由度結(jié)構(gòu)具有阻尼比較小、各模態(tài)的頻率相差大的特點(diǎn)，在任意激勵(lì)作用下，振型比可以近似認(rèn)為是在自振頻率處相應(yīng)信號(hào)的互譜與自譜的峰值比，由下式得出[1]:

圖15 X方向二層、四層互譜相干函數(shù)

圖17 Y方向二層、三層互譜相干函數(shù)

圖18 Y方向二層、四層互譜相干函數(shù)

圖19 Y方向二層、五層互譜相干函數(shù)

式中:Gapk(wi)為k、p測(cè)點(diǎn)的互功率譜，Gapp(wi)為p測(cè)點(diǎn)的自功率譜，φki，φpi分別為k測(cè)點(diǎn)、p測(cè)點(diǎn)的i階振型的坐標(biāo)。本次振動(dòng)測(cè)試對(duì)應(yīng)于波形圖分析得到該建筑前兩階振型如(圖20～圖23)所示。

圖20 X向一階振型

圖21 Y向一階振型

圖22 X向二階振型

圖23 Y向二階振型

2.4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

X向、Y向前二階振動(dòng)特性列于(表1)。從(表1)可以看出，X方向第一階振動(dòng)頻率較Y方向振動(dòng)頻率大，表明X方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大于Y方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，與實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度布置相吻合。各樓層在同一階具有完全相同振動(dòng)頻率，這是由于工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑為工廠模塊化預(yù)制生產(chǎn)后現(xiàn)場(chǎng)拼裝，保證了不同樓層梁柱構(gòu)件、板構(gòu)件、斜撐等尺寸偏差很小，節(jié)點(diǎn)施工方法有保障，工業(yè)化施工使建筑各樓層具有基本相同的剛度和質(zhì)量，這也說(shuō)明測(cè)試結(jié)果是可信的。

表1 工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑X向、Y向前二階振動(dòng)特性

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算分析

3.1 模型的建立

由于目前沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為工業(yè)化建筑的設(shè)計(jì)軟件，而設(shè)計(jì)人員普遍熟悉PKPM設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，本文采用PKPM軟件建模計(jì)算該建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。由于PKPM軟件中供用戶選擇的鋼梁截面類(lèi)型沒(méi)有與該結(jié)構(gòu)梁吻合的截面，本工程采用等效剛度及質(zhì)量的等代梁模擬實(shí)際工程中的鋼桁架，主梁與鋼柱間的連接節(jié)點(diǎn)考慮為剛接、次梁同垂直相交主梁的連接節(jié)點(diǎn)考慮為鉸接連接;邊角柱與鋼梁間的斜撐采用計(jì)算軟件中的鋼斜桿模擬，默認(rèn)兩端鉸接，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.0，并按軸心受力桿件進(jìn)行驗(yàn)算，鋼斜桿的模擬只考慮材料強(qiáng)度，未有具體截面尺寸設(shè)置。該鋼結(jié)構(gòu)建筑樓屋面板均為壓型鋼板混凝土組合板，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型采用等質(zhì)量原則將組合板折算為相同厚度混凝土樓板模擬。采用“一次性加載”對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工順序模擬。為了與實(shí)測(cè)動(dòng)力參數(shù)建筑僅施工完畢結(jié)構(gòu)部分的現(xiàn)狀相吻合，建模計(jì)算時(shí)不輸入梁上荷載及樓屋面活荷載，其余荷載按相關(guān)規(guī)范取值[2]。

3.2 計(jì)算結(jié)果

(圖24～圖27)為PKPM軟件計(jì)算結(jié)果輸出的X、Y方向前兩階理論計(jì)算振型。PKPM軟件計(jì)算結(jié)果看出該建筑第一振型號(hào)中Y方向的平動(dòng)系數(shù)為1.00，相應(yīng)平動(dòng)振動(dòng)周期為0.3513s，第二振型號(hào)中X方向的平動(dòng)系數(shù)為1.00，相應(yīng)平動(dòng)振動(dòng)周期為0.3298s。第三振型號(hào)對(duì)應(yīng)扭轉(zhuǎn)系數(shù)為1.00，相應(yīng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)周期為0.2179s，第一扭轉(zhuǎn)周期同第一平動(dòng)周期的比值(Tt/T1)為0.62，小于規(guī)范0.9的限值[3]。上述計(jì)算結(jié)果表明該建筑在地震力作用下，第一階振型分別為Y方向、X方向的平移振動(dòng)，第三階為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的能量中大部分只能夠激起結(jié)構(gòu)的平移振動(dòng)，結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性較接近。X方向地震作用下及風(fēng)荷載作用下的樓層最大位移分別為1/6158、1/5807，Y方向地震作用下及風(fēng)荷載作用下的樓層最大位移分別為1/5442、1/4270，樓層最大位移均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求[3]。

圖24 X向一階振型

圖25 Y向一階振型

圖26 X向二階振型

圖27 Y向二階振型

3.3 計(jì)算結(jié)果同實(shí)際測(cè)試比較分析

根據(jù)PKPM建模分析結(jié)果知X向平動(dòng)振動(dòng)周期為0.3298s，Y向平動(dòng)振動(dòng)周期為0.3513s。模型計(jì)算獲得的平動(dòng)振動(dòng)周期約為實(shí)際測(cè)試結(jié)果0.89倍與0.86倍，二者基本吻合，且計(jì)算結(jié)果表明前兩節(jié)振型均以平動(dòng)為主，保證了結(jié)構(gòu)在較小能量作用下不產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)，這與測(cè)試時(shí)測(cè)點(diǎn)布置方案也是一致的。建模分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差的主要原因是一層柱底同基礎(chǔ)鋼筋混凝土墩間尚未采用填料填實(shí)，柱底同基礎(chǔ)連接方式介于鉸接與剛接之間，這與計(jì)算模型中柱腳同基礎(chǔ)設(shè)置為剛性存在不一致，(圖28)為實(shí)際工程柱腳現(xiàn)狀。另外PKPM建模分析中采用等效剛度及質(zhì)量的等代梁模擬實(shí)際工程中的鋼桁架梁，樓屋面壓型鋼板混凝土組合板簡(jiǎn)化為相同厚度混凝土樓板，及節(jié)點(diǎn)的剛接，鉸接簡(jiǎn)化均對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定偏差。

圖28 實(shí)際柱底現(xiàn)狀

4 結(jié)論

(1)采用脈動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)頻域分析方法測(cè)試該種類(lèi)型的工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)是可行的。通過(guò)測(cè)試結(jié)果說(shuō)明各層具有幾乎相同的剛度質(zhì)量比，體現(xiàn)了該建筑鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化的特征。

(2)對(duì)于本文的具體工程項(xiàng)目，采用 PKPM建模分析，雖然經(jīng)過(guò)一定的簡(jiǎn)化和假定過(guò)程，計(jì)算結(jié)果存在偏差，但是計(jì)算結(jié)果還是可以接受的。對(duì)于該種類(lèi)型的工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑如果采用設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)該確保簡(jiǎn)化和假定是正確可行的。

(3)該種類(lèi)型的工業(yè)化鋼結(jié)構(gòu)建筑，還需要積累相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)并且努力探索符合本結(jié)構(gòu)特征的計(jì)算方法。

[1]李斌，盧文勝，沈劍浩，等.高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試實(shí)例分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2006，22(2):63 －67

[2]GB 50009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].