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鋼結構房屋動(dòng)力特性實(shí)測與分析

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    鋼結構房屋動(dòng)力特性實(shí)測與分析
    儲德文，王明貴（中國建筑科學(xué)研究院 北京100013）
    譚世友 (中國礦業(yè)大學(xué) 北京100083）

    [摘要] 采用脈動(dòng)法對兩棟鋼框架結構房屋的動(dòng)力特性進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)測，通過(guò)實(shí)測結果和有限元計算結果的比較，研究了樓板和填充墻對鋼結構純框架結構動(dòng)力特性的影響。試驗及分析結果表明，多層鋼結構純框架房屋的振型為剪切型；阻尼比在2%～5%之間；填充墻明顯縮短了鋼結構純框架的自振周期，使得實(shí)測周期小于計算周期，抗震計算時(shí)應對計算周期進(jìn)行折減。給出的周期折減系數可供工程設計參考。

    [關(guān)鍵詞] 動(dòng)力特性；實(shí)測；脈動(dòng)法；周期折減系數
    1 前 言
    　　結構的動(dòng)力特性是指結構的自振周期、振型和阻尼，是結構自身的基本屬性之一，是進(jìn)行抗震計算的基本參數。一般情況下，結構的自振周期和振型可以通過(guò)計算確定，但由于計算時(shí)沒(méi)有考慮樓板和填充墻等非結構構件對結構剛度的影響，使得計算周期往往大于實(shí)測周期，抗震計算時(shí)需要根據同類(lèi)建筑的實(shí)測周期對計算周期進(jìn)行折減，否則計算得到的地震作用偏小。另外，結構的阻尼目前還只能通過(guò)實(shí)測得到，因此，現場(chǎng)實(shí)測是了解結構動(dòng)力特性的基本途徑。
    　　過(guò)去我國建筑鋼結構主要用在工業(yè)建筑領(lǐng)域，民用建筑領(lǐng)域主要是砌體結構和鋼筋混凝土結構，這兩種結構的動(dòng)力特性實(shí)測數據比較多，研究也比較深入，《建筑抗震設計規范》[1]（GB 50011-2001）第5.2.1條對砌體結構的有關(guān)規定以及《高層建筑混凝土結構技術(shù)規程》[2]（JGJ3-2002）第3.3.17條對鋼筋混凝土結構周期折減系數的規定，均是有關(guān)研究成果的具體體現。
    　　相對而言，我國鋼結構房屋動(dòng)力特性的實(shí)測數據比較少。文獻[3]實(shí)測了北京京廣中心的動(dòng)力特性，文獻[4] 實(shí)測了北京長(cháng)富宮中心的動(dòng)力特性，這兩棟建筑分別是鋼框架-支撐（剪力墻板）結構和純框架結構。文獻[5] 和[6]分別給出了深圳地王大廈(鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構)的動(dòng)力特性實(shí)測值，二者的測試方法略有不同，但測試結果基本一致。文獻[7]給出了上海地區四棟超高層建筑振動(dòng)特性實(shí)測值，其中兩棟是鋼和混凝土混合結構，兩棟是鋼筋混凝土結構。文獻[8]收集了37棟高層鋼結構的實(shí)測及計算基本周期，限于當時(shí)的條件，只有兩棟是國內建筑，即北京京廣中心和長(cháng)富宮中心。
    　　目前，隨著(zhù)我國民用鋼結構建筑的發(fā)展，除了高層及超高層建筑，在多層房屋中采用鋼結構的也越來(lái)越多，這為研究鋼結構建筑的動(dòng)力特性提供了客觀(guān)條件；另一方面，目前鋼結構房屋采用的周期折減系數，在《高層民用建筑鋼結構技術(shù)規程》[9]（JGJ 99-98）第4.3.6條的規定比較籠統，沒(méi)有區分結構形式和填充墻類(lèi)型，一律取0.9。在實(shí)際工程中，填充墻類(lèi)型很多，對結構剛度的貢獻也不一樣，這條規定的合理性也有待進(jìn)一步檢驗。
    　　本文采用脈動(dòng)法對兩棟鋼結構純框架房屋的動(dòng)力特性進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)測，并通過(guò)現場(chǎng)實(shí)測結果和有限元計算結果相比較，研究了樓板和填充墻對鋼框架結構動(dòng)力特性的影響，并對鋼結構純框架的周期折減系數進(jìn)行了探討。
    2 鋼結構純框架房屋動(dòng)力特性的實(shí)測與計算
    　　分析方法
    　　2.1 動(dòng)力特性的實(shí)測方法
    　?。?）試驗依據：《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ101-96）；
    　?。?）試驗儀器與設備：941B型傳感器，941型放大器和WS-USB數據采集分析儀；
    　?。?）試驗原理：從建筑物各測點(diǎn)所測到的速度反應時(shí)程，經(jīng)積分變換得到位移反應時(shí)程，再經(jīng)傅立葉變換得到傅立葉位移譜，即可確定結構的前若干階自振頻率和振型，結構的阻尼比采用半功率法得到。
    　　2.2動(dòng)力特性的有限元計算分析模型
    　　為了研究樓板和填充墻對結構動(dòng)力特性的影響，本文采用空間結構分析計算軟件ETABS8.4.5計算了結構的自振周期和振型。在計算中考慮了三個(gè)計算模型：
    　　模型1：建模時(shí)只考慮由框架梁和框架柱組成的主體結構的剛度，即只輸入框架梁和框架柱，梁柱采用空間梁?jiǎn)卧嬎恪?br /> 　　模型2：建模時(shí)不僅考慮由框架梁和框架柱組成的主體結構的剛度，而且考慮樓板的剛度。該模型不僅輸入梁柱，而且輸入樓板。梁柱采用空間梁?jiǎn)卧M、樓板采用殼單元模擬。
    模型3：建模時(shí)不僅考慮由框架梁和框架柱組成的主體結構的剛度，而且同時(shí)考慮樓板和填充墻的剛度。建模時(shí)不僅輸入梁柱、樓板，而且輸入填充墻。梁柱采用空間梁?jiǎn)卧M、樓板和填充墻采用殼單元模擬。為了與實(shí)測值相比較，計算時(shí)沒(méi)有考慮樓面活荷載，樓面恒荷載僅考慮了樓板結構自重。
    　　3 現場(chǎng)實(shí)測及有限元計算分析結果
    　　3.1攀枝花迎賓苑小區3號樓的實(shí)測與計算分析
    　　3.1.1工程簡(jiǎn)介
    　　攀枝花迎賓苑小區3號住宅樓，建筑面積約5000m²，六層加躍7層，建筑平面尺寸為58.100m×14.350m，層高2.800m，總高20.500m?？拐鹪O防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，第二組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，基本風(fēng)壓0.3kN/m2。
    　　該住宅樓上部結構采用鋼框架結構體系，柱網(wǎng)為4.5m×3m、4.5m×4.5m，采用250mm×160mm焊接矩形鋼管柱和250mm×150mm焊接工字型鋼梁，Q345B級鋼材。為了不露梁柱，鋼柱沿墻走向布置。樓板采用120mm厚C30鋼筋混凝土現澆樓板，與鋼梁頂接。圍護結構采用空心磚砌塊填充，外墻和分戶(hù)墻厚200mm，室內隔墻厚100mm。標準層結構布置見(jiàn)圖1。

    　　場(chǎng)地內地層從上至下分別為①素填土、②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③含礫砂土，④混合巖，場(chǎng)地內地下水埋深9.00~15.40m，屬孔隙型潛水?；A采用柱下條形基礎，持力層為第①層素填土，素填土的層厚為11.60~21.10m，通過(guò)對地基土進(jìn)行強夯加固處理，場(chǎng)地強夯地基承載力標準值為180 kPa，強夯有效影響深度為6.5 m。
    　　3.1.2 試驗測量結果
    　?。?）測點(diǎn)布置：選在建筑的中間單元，每層布置一個(gè)測點(diǎn)，第1次布置的測點(diǎn)樓層為：1、3、4、5、6和躍7層；第2次布置的測點(diǎn)樓層為：2、3、4、5、6和躍7層。
    　?。?）試驗時(shí)建筑物的狀態(tài)：現場(chǎng)實(shí)測于2003年4月進(jìn)行，試驗時(shí)建筑物主體結構已完工，外墻及內墻已砌筑完工，正處于裝修和設備安裝階段。
    　?。?）實(shí)測結果：經(jīng)過(guò)試驗數據分析，結構的橫向、縱向的自振周期和阻尼如表1所示，振型如圖2所示。從實(shí)測振型圖上看，3號樓振型曲線(xiàn)向外凸，具有剪切變形的特征，結構以剪切變形為主。


    　　3.1.3 有限元計算分析結果
    　　結構的自振周期和振型計算結果見(jiàn)表2和圖3。從表2可以看出，模型3的計算結果比較接近實(shí)測自振周期。從振型圖上看，模型1和模型2的振型基本一致，模型3的振型接近實(shí)測振型。

    　　3.2“信萊•艾菲爾花園”B2號樓的實(shí)測與分析
    　　3.2.1 工程簡(jiǎn)介
    　　山東濟南“信萊•艾菲爾花園”B2號多層鋼結構住宅建筑面積5828m2 ，地下一層，地上五層加躍6層，層高2.8m，檐口高度15.000m，建筑平面尺寸為73.550m×11.750m?？拐鹪O防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第二組，場(chǎng)地土Ⅱ類(lèi)?；撅L(fēng)壓0.45kN/m2 ，基本雪壓0.30kN/m2。
    　　該住宅樓上部結構采用鋼框架結構體系，框架柱采用外包式剛接柱腳。鋼材采用Q345B，基礎外墻和頂板混凝土為C30、樓板C25，鋼筋為HPB235級、HRB335級。柱截面為H型鋼 HM294×200×8×12，梁為H型鋼HN346×174×6×9，HN300×150×6.5×9，梁柱連接采用剛性節點(diǎn)。樓板采用100mm厚現澆鋼筋混凝土，屋面采用輕鋼屋面。外墻采用130mm厚復合輕質(zhì)保溫墻板，內隔墻采用75mm厚復合輕質(zhì)保溫墻；分戶(hù)墻和樓梯間及地下室隔墻采用200mm厚陶?；炷量招钠鰤K。標準層結構布置圖見(jiàn)圖5。

    　　場(chǎng)地內地層從上至下分別為①0.5~3.5m厚度填土、②4.5~7.6m厚度粉質(zhì)粘土、③0.3~3.2m厚度粘土、④1.5~5.7m厚度粉質(zhì)粘土、⑤9.10~15.50m厚度粉質(zhì)粘土、⑥0.7~3.6m厚度全風(fēng)化輝長(cháng)巖、⑦0.8~5.5m厚度強風(fēng)化輝長(cháng)巖、⑧中等風(fēng)化輝長(cháng)巖，場(chǎng)地內地下水埋深1.90~2.70m，埋藏較淺，屬孔隙型潛水?；A采用梁式筏板基礎，持力層為第②層粉質(zhì)粘土，地基承載力特征值為100 kPa，基底鋪設300厚級配砂石墊層。
    　　3.2.2 試驗測量
    　?。?）測點(diǎn)布置：選在建筑的中間單元，每層布置一個(gè)測點(diǎn)，布置測點(diǎn)的樓層為1、3、4、5、躍6層、躍6層頂；
    ?。?）試驗時(shí)建筑物的狀態(tài)：現場(chǎng)實(shí)測于2003年12月進(jìn)行，試驗時(shí)建筑物主體結構已完工，外墻及內墻已砌筑完工，正處于裝修和設備安裝階段；
    　?。?）實(shí)測結果：經(jīng)過(guò)試驗數據分析，結構的橫向、縱向的自振周期和阻尼見(jiàn)表3所示，振型見(jiàn)圖4。從實(shí)測振型圖上看，B2號住宅樓的振型曲線(xiàn)向外凸，具有剪切變形的特征，結構以剪切變形為主。


    　　3.2.3 有限元計算分析結果
    　　結構的自振周期和振型計算結果見(jiàn)表4和圖5。從表4可以看出，模型3的計算結果比較接近實(shí)測自振周期。從振型圖上看，模型1和模型2的振型基本一致模型3的振型要接近實(shí)測振型。

    　　4 關(guān)于鋼結構純框架的周期折減系數
    　　由以上兩棟鋼結構純框架房屋的動(dòng)力特性的現場(chǎng)實(shí)測及限元計算結果可以得到：
    　　攀枝花迎賓苑小區3號樓的計算周期與實(shí)測周期的比值為：
    　　橫向：1.7163/0.366 = 4.69
    　　縱向：1.7499/0.427 = 4.10
    　　山東濟南“信萊•艾菲爾花園”B2號樓的計算周期與實(shí)測周期的比值為：
    　　橫向：1.0565/0.281 = 3.76
    　　縱向：1.6926/0.315 = 5.37
    　　兩棟房屋的計算周期與實(shí)測周期的比值平均為4.48。
    　　然而，根據文獻[8]的統計分析，高層鋼結構計算周期與實(shí)測周期的比值平均為1.24，與本文這兩棟房屋計算周期與實(shí)測周期的比值差異較大。究其原因，一方面是由于高層鋼結構開(kāi)間、進(jìn)深都較大，內墻大多使用輕質(zhì)隔斷并且數量少，外墻多采用幕墻，填充墻對結構的剛度影響較小。攀枝花迎賓苑小區3號樓和濟南“信萊•艾菲爾花園”B2號樓都是住宅建筑，隔墻較多，開(kāi)間、進(jìn)深都相對較小，并且采用了自身剛度較大的砌體結構和預制加氣混凝土墻板結構，對結構的剛度有較大影響，計算分析也表明了這一點(diǎn)；另一方面可能是文獻[8]中統計的數據雖然較多，但其中只有兩棟是國內建筑，建筑隔墻體系沒(méi)有充分反映中國國情。例如，文獻[4]對北京長(cháng)富宮中心（鋼框架結構）的實(shí)測分析表明，雖然兩個(gè)方向的計算周期基本相同，但橫向和縱向計算周期與實(shí)測周期的比值分別為1.04和1.45，差異較大。
    　　由于實(shí)測周期反映的是結構在微幅振動(dòng)下的周期，結構在多遇地震作用下的變形要大得多，填充墻等非結構構件可能已出現輕微破壞，剛度會(huì )下降，周期會(huì )延長(cháng)。一些研究表明[11~13]，建筑在地震作用下的自振周期一般是震前實(shí)測周期的1.10～2.0倍，有些甚至達到4倍。鋼結構地震時(shí)周期與實(shí)測周期的比值要比砌體結構和鋼筋混凝土結構大。若考慮地震時(shí)周期會(huì )延長(cháng)2倍，則周期折減系數為2×1 / 4.48 = 0.45。當然，由于實(shí)測數據少，此處給出的周期折減系數僅供參考。
    5 結 論
    　?。?）多層鋼結構純框架結構房屋的實(shí)測振型基本為剪切型，結構以剪切變形為主；
    　?。?）多層結構純鋼框架結構房屋的阻尼比在2%～5%之間；
    　?。?）填充墻剛度大、數量多的多層鋼框架結構房屋的實(shí)測自振周期較短，遠小于按純框架結構計算得到的周期，其周期折減系數不宜大于0.5，否則計算得到的地震作用可能偏小。
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