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鋼結構房屋動力特性實測與分析

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

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

    [摘要] 采用脈動法對兩棟鋼框架結構房屋的動力特性進行了現場實測，通過實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，使得實測周期小于計算周期，抗震計算時應對計算周期進行折減。給出的周期折減系數可供工程設計參考。

    [關鍵詞] 動力特性；實測；脈動法；周期折減系數
    1 前 言
    　　結構的動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計算確定，但由于計算時沒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測周期，抗震計算時需要根據同類建筑的實測周期對計算周期進行折減，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實測得到，因此，現場實測是了解結構動力特性的基本途徑。
    　　過去我國建筑鋼結構主要用在工業建筑領域，民用建筑領域主要是砌體結構和鋼筋混凝土結構，這兩種結構的動力特性實測數據比較多，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規定以及《高層建筑混凝土結構技術規程》[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，均是有關研究成果的具體體現。
    　　相對而言，我國鋼結構房屋動力特性的實測數據比較少。文獻[3]實測了北京京廣中心的動力特性，文獻[4] 實測了北京長富宮中心的動力特性，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)的動力特性實測值，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特性實測值，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棟高層鋼結構的實測及計算基本周期，限于當時的條件，只有兩棟是國內建筑，即北京京廣中心和長富宮中心。
    　　目前，隨著我國民用鋼結構建筑的發展，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越多，這為研究鋼結構建筑的動力特性提供了客觀條件；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規程》[9]（JGJ 99-98）第4.3.6條的規定比較籠統，沒有區分結構形式和填充墻類型，一律取0.9。在實際工程中，填充墻類型很多，對結構剛度的貢獻也不一樣，這條規定的合理性也有待進一步檢驗。
    　　本文采用脈動法對兩棟鋼結構純框架房屋的動力特性進行了現場實測，并通過現場實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力特性的影響，并對鋼結構純框架的周期折減系數進行了探討。
    2 鋼結構純框架房屋動力特性的實測與計算
    　　分析方法
    　　2.1 動力特性的實測方法
    　　（1）試驗依據：《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ101-96）；
    　　（2）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；
    　　（3）試驗原理：從建筑物各測點所測到的速度反應時程，經積分變換得到位移反應時程，再經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計算模型：
    　　模型1：建模時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，梁柱采用空間梁單元計算。
    　　模型2：建模時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。梁柱采用空間梁單元模擬、樓板采用殼單元模擬。
    模型3：建模時不僅考慮由框架梁和框架柱組成的主體結構的剛度，而且同時考慮樓板和填充墻的剛度。建模時不僅輸入梁柱、樓板，而且輸入填充墻。梁柱采用空間梁單元模擬、樓板和填充墻采用殼單元模擬。為了與實測值相比較，計算時沒有考慮樓面活荷載，樓面恒荷載僅考慮了樓板結構自重。
    　　3 現場實測及有限元計算分析結果
    　　3.1攀枝花迎賓苑小區3號樓的實測與計算分析
    　　3.1.1工程簡介
    　　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。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，第二組，Ⅲ類場地，基本風壓0.3kN/m2。
    　　該住宅樓上部結構采用鋼框架結構體系，柱網為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，外墻和分戶墻厚200mm，室內隔墻厚100mm。標準層結構布置見圖1。

    　　場地內地層從上至下分別為①素填土、②淤泥質粉質粘土、③含礫砂土，④混合巖，場地內地下水埋深9.00~15.40m，屬孔隙型潛水。基礎采用柱下條形基礎，持力層為第①層素填土，素填土的層厚為11.60~21.10m，通過對地基土進行強夯加固處理，場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
    　　（1）測點布置：選在建筑的中間單元，每層布置一個測點，第1次布置的測點樓層為：1、3、4、5、6和躍7層；第2次布置的測點樓層為：2、3、4、5、6和躍7層。
    　　（2）試驗時建筑物的狀態：現場實測于2003年4月進行，試驗時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。
    　　（3）實測結果：經過試驗數據分析，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。從實測振型圖上看，3號樓振型曲線向外凸，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的振型接近實測振型。

    　　3.2“信萊•艾菲爾花園”B2號樓的實測與分析
    　　3.2.1 工程簡介
    　　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。抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第二組，場地土Ⅱ類。基本風壓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。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厚復合輕質保溫墻板，內隔墻采用75mm厚復合輕質保溫墻；分戶墻和樓梯間及地下室隔墻采用200mm厚陶粒混凝土空心砌塊。標準層結構布置圖見圖5。

    　　場地內地層從上至下分別為①0.5~3.5m厚度填土、②4.5~7.6m厚度粉質粘土、③0.3~3.2m厚度粘土、④1.5~5.7m厚度粉質粘土、⑤9.10~15.50m厚度粉質粘土、⑥0.7~3.6m厚度全風化輝長巖、⑦0.8~5.5m厚度強風化輝長巖、⑧中等風化輝長巖，場地內地下水埋深1.90~2.70m，埋藏較淺，屬孔隙型潛水。基礎采用梁式筏板基礎，持力層為第②層粉質粘土，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
    　　（1）測點布置：選在建筑的中間單元，每層布置一個測點，布置測點的樓層為1、3、4、5、躍6層、躍6層頂；
    　（2）試驗時建筑物的狀態：現場實測于2003年12月進行，試驗時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；
    　　（3）實測結果：經過試驗數據分析，結構的橫向、縱向的自振周期和阻尼見表3所示，振型見圖4。從實測振型圖上看，B2號住宅樓的振型曲線向外凸，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的振型要接近實測振型。

    　　4 關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力特性的現場實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間、進深都較大，內墻大多使用輕質隔斷并且數量少，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，開間、進深都相對較小，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；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，建筑隔墻體系沒有充分反映中國國情。例如，文獻[4]對北京長富宮中心（鋼框架結構）的實測分析表明，雖然兩個方向的計算周期基本相同，但橫向和縱向計算周期與實測周期的比值分別為1.04和1.45，差異較大。
    　　由于實測周期反映的是結構在微幅振動下的周期，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，剛度會下降，周期會延長。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測周期的1.10～2.0倍，有些甚至達到4倍。鋼結構地震時周期與實測周期的比值要比砌體結構和鋼筋混凝土結構大。若考慮地震時周期會延長2倍，則周期折減系數為2×1 / 4.48 = 0.45。當然，由于實測數據少，此處給出的周期折減系數僅供參考。
    5 結 論
    　　（1）多層鋼結構純框架結構房屋的實測振型基本為剪切型，結構以剪切變形為主；
    　　（2）多層結構純鋼框架結構房屋的阻尼比在2%～5%之間；
    　　（3）填充墻剛度大、數量多的多層鋼框架結構房屋的實測自振周期較短，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。
    [參考文獻]
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