近年来, 随着建筑业的快速发展, 巨型悬挑结构大量涌现, 然而由于刚度不均匀, 结构形式复杂, 其安全性备受工程界和学术界关注。对于实际工程来说, 由于设计和现场施工等复杂因素的影响, 数值模拟值与实际值会存在一定偏差。为了把握新建工程实际状态, 有必要通过现场动力测试来获取其动力特性参数^[1]。

目前较为常用的动力测试方法有脉动法和激振法。其中, 脉动法利用特定的采集仪和传感器采集建筑物在环境激励下的脉动响应, 无须利用任何激振设备, 不对建筑物构成损伤, 是一种简便而且有效的方法^[2]。

本文采用脉动法对某巨型悬挑工程进行动力测试, 采集脉动信号, 经数据分析得到动力特性参数, 既可以验证结构设计的合理性, 判断是否存在施工缺陷, 又可为将来工程服役期间的安全评估和损伤识别积累技术资料。

某工程位于北京市海淀区, 工程主体采用框架-剪力墙结构体系, 东南、西南、东北建筑立面为巨型悬挑结构, 悬挑长度巨大, 基于建筑效果, 在整个建筑外围设置围合的巨型立面钢桁架, 如图1所示。

工程总建筑面积334 386m², 地上7层, 地下3层, 总用钢量35 000t, 钢构件材质主要为Q345B, Q345C, 东立面桁架平面尺寸总长为160.7m, 南侧悬挑为47.2m, 北侧悬挑为41.5m, 如图2所示。

工程结构的动力特性参数包括自振频率、振型和阻尼比等。现场动力测试针对的是东、南、西、北4个立面巨型钢桁架, 优化布置测点, 测试获取工程动力特性参数。限于篇幅, 仅阐述东立面钢桁架的动力测试过程, 并列出其他3个立面钢桁架的频率, 方便对比。

东立面桁架的测试为环境激励下的运行状态模态分析 (operational modal analysis, OMA) , 环境激励包括风荷载、地脉动等, 测试系统包括环境激励→试验对象→传感器→数据采集前端→计算机, 对东立面桁架进行x, y, z 3个方向的测试。

由于东立面桁架跨度及高度很大, 实行“分区域”测试的方法。测试区域分为2部分, 如图3所示。每个区域分3批次进行测试, 要求测试时所有传感器方向一致, 先测x向然后测y向和z向。Ⅰ区域和Ⅱ区域测试时都要采集1号参考点x, y, z 3个方向的信号。测试时, 每个批次连续采集记录时间≥30min^[3]。

测试采用m+p Vib Pilot32通道LXI总线数据采集仪和ICP三轴加速度传感器, 试验分析采用m+p Smart Office振动模态测试和信号分析软件, 测试时采用移动传感器的方法完成整个测试的数据采集。

考虑到测试结果的完整性以及测试过程的优化, 经过现场预试验, 布置东立面桁架测点如图3所示。1号点响应最大, 选为参考点, 东立面桁架x向为垂直于桁架方向, y向为平行于桁架方向, z向为高度方向。

1号参考点功率谱曲线如图4所示, 其他所有测点功率谱曲线如图5所示。

频率的识别主要依据结构的自功率谱和互功率谱, 但由于测量噪声的影响, 结构的自功率谱峰值不一定位于模态频率上, 可用以下原则判断模态频率:各测点的自功率谱峰值位于同一频率处, 而且在模态频率处各测点间的相干函数接近1, 同时各测点具有近似相同或相反的相位。

通过对各测点加速度的自功率谱分析和各测点与参考点加速度的互功率谱分析及综合分析, 经比较判断, 可得所有测点前几阶频率, 对每阶频率取平均值, 最终可得到工程的前几阶频率^[4]。

在工程振动响应分析中一般将参考点作为输入点, 其余测点作为输出点, 用输入、输出之间的传递函数 (或互功率谱) 分析振型, 分析时由测点与参考点之间的相位差可确定出测点在振型图中的方位, 然后通过传递函数在各频率处的幅值, 得出振型图的相对坐标, 因为传递函数反映测点幅值与参考点幅值之比, 故可用各传递函数的幅值来反映各测点幅值的相对值。再对幅值进行归一化处理, 最终得出工程在x, y, z向的前几阶振型^[5]。

本次MIDAS/Gen模型分析采用荷载组合=恒荷载+0.5倍活荷载, 将其转换为工程质量进行模态分析。

需要注意的是, 程序中质量设置有2个地方: (1) 通过主菜单 (模型/结构类型) 命令设置自重转换成质量; (2) 通过主菜单 (模型/质量) 命令设置其余的恒、活荷载转换成质量。分析结果如表1所示。

分析表2所示数据可知, 4个立面钢桁架前3阶实测频率基本相同, 表明工程整体性较好, 测试模态为工程的整体模态^[6]。其中, 东立面桁架实测1阶频率与模拟1阶频率1.99Hz接近, 误差为9.54%。2阶与3阶实测值和数值模拟值误差在18%左右, 误差较大的原因是数值模拟求解频率时存在误差, 对高阶频率影响更大^[7]。对于建筑材料的实际性能、施工质量、填充墙的影响等因素不能准确计算, 这都会导致高阶频率误差的进一步加大^[8]。

选取东立面钢桁架前3阶实测振型与模拟振型作对比, 分析发现两者对应振型曲线吻合较好。这说明工程符合设计预期, 施工质量良好, 结构质量分布均匀。

分析各阶振型图可知, 竖向振动较其他2个方向更为明显, 这表明巨型悬挑结构对动力特性有一定影响^[9]。

1) 通过动力特性实测和数值模拟的对比, 发现两者振型曲线吻合较好, 频率基本接近, 既验证了模型的有效性, 又说明现场实测数据有较高的可信度, 可以为工程健康监测阶段安全评估与损伤识别积累动力特性数据。

2) 从以上对比可以看出, 1阶频率的相对误差在10%以内, 2阶、3阶频率有一些差距, 可以表明工程实际建成后的状态与设计基本一致, 设计合理, 施工质量良好。

3) 通过动力测试得到的工程周期为0.56s, 大于场地的特征周期, 这对于抗震具有有利作用。