某砖混结构教学楼的动力特性测试与分析

【摘要】建筑结构的动力特性是结构进行健康检测、安全可靠性评估的重要参数。结构自振频率的识别常依据结构反应的自功率谱，响应信号的互谱和自谱的峰值之比可近似看作振型之比。本文以某大学教学楼为研究对象，基于环境激励量测结构的脉动响应，对测点布置、传感器的安放等进行研究，利用现代信号处理技术分析得到结构的频率，并通过自谱和互谱峰值之比得到结构的振型，得出结论: 结构振型没有明显的突变，说明结构的刚度沿竖向分布均匀，结构体系有良好的工作性能；同时能够反映出该结构施工质量良好，为结构的安全性评估提供了科学依据，也证明了自然地脉动和脉动风是砌体建筑振动试验的适合激振源。 【关键词】自然环境激励；模态测试；频谱分析；动力特性 1、某学校教学楼现场动力特性测试 1.1 工程概况 本次测试建筑物为某大学教学楼，结构体系为砖混河沟- 钢结构混合体系。该建筑物首次建成为4 层砖混结构，由于实际所需，5 层和6 层是建成之后所建，其中第6 层为钢结构。 1.2 测点选取 动力特性试验中，测点的布设对结果的准确性有很大的影响。为了提高响应信号信噪比，测点不应选择在各阶振型的节点处。通常考虑一下几方面：测点选取应使传感器系统设备、数据处理和传输等的费用最小；有效确定结构特性及变化；对于大型结构，测点的选取应能提高结构损伤识别能力；使测得的时程数据对模态参数的变化最为敏感。本试验次被测结构为6 层砖混结构教学楼，测点选取在每层的柱脚处。 1.3 测试仪器 本次测试所需仪器有：（1）Vib’SYS 振动信号采集、处理和分析程序；（2）YD82D 压电加速度传感器6 只；（3）匹配的8 通道滤波放大器1 台；（4）Dasp 数据采集和信号处理软件；（5）电脑1 台；（6）Q9 线若干；（7）角钢6 个。1.4 测试过程 在每层的柱脚处粘贴一传感器， 传感器通过Q9 线连接到滤波放大器，滤波放大器与Vib’SYS 振动信号采集相连，然后连接到电脑上。为减少Q9 线的长度，将测试仪器放在结构第四层楼板上，由于本试验采用的是脉动法，为减少周围活动对结果的影响，提高测试信号的信噪比，选择夜间进行量测结构的脉动响应。正式采集前，检查各个通道是否完好，并进行预采集5 ～ 8 分钟，正式采集时间为30min。 1.5 测试结果 利用DSAP 数据处理分析系统来分析数据，发现楼层越高结构反应越大。通过自谱和互谱之比得到结构的频率和振型，以第6 层的振动响应为参考与每一层的响应进行互谱分析，得到结构的频率、相位、相干系数，如图2-1 所示。 （a） 第6 层和第6 层的自功率谱 相干系数是两随机信号在频域内相干程度的指标，在随机振动测试中，相干系数为0 ～ 1，相干系数越接近1，说明噪声的影响越小，频响函数的估计结果越好，一般认为，相干系数≥ 0.8，频率的识别结果比较可靠。各参考点与测点自互谱峰值、相位、相关系数见表2-1。 表2-1 参考点与测点自互谱峰值、振型和相位 由表2-1 可知，楼层越高，结构的脉动响应越大，相关系数也越大，测点的各个相位均为一个方向，没有突变。 通过结构自谱与互谱的峰值之比得到结构的振型曲线，如图2-3 所示。 结论： 本文采用脉动法以一栋6 层砖混结构为工程背景，对结构进行了动力特性测试，量测了结构的脉动响应，得出如下结论： （1）该结构的一阶自振频率为2.75Hz，沿结构的横向，结构是安全的； （2）实测结构振型曲线连续且较为光滑，且楼层越高，结构的反应越大。没有明显的突变，说明结构质量与刚度沿竖向分布均匀，结构整体工作性能符合规范要求，说明结构第5 层与第6层与结构的整体连接的施工质量较好； （3）自然环境激励技术和现代信号处理技术在砖混—钢结构体系中得到了良好的应用。参考文献： [1] 李国强, 李杰. 工程结构动力检测理论与应用[M]. 科学出版社,2002. [2] 姜绍飞. 结构健康监测导论[M]. 科学出版社,2013. [3] 姜绍飞, 吴兆旗. 结构健康检测与智能信息处理技术及应用[M]. 中国建筑工业出版社,2011.