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鋼結(jié)構(gòu)房屋動力特性實測與分析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    鋼結(jié)構(gòu)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(yè)大學 北京100083）

    [摘要] 采用脈動法對兩棟鋼框架結(jié)構(gòu)房屋的動力特性進行了現(xiàn)場實測，通過實測結(jié)果和有限元計算結(jié)果的比較，研究了樓板和填充墻對鋼結(jié)構(gòu)純框架結(jié)構(gòu)動力特性的影響。試驗及分析結(jié)果表明，多層鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)可供工程設(shè)計參考。

    [關(guān)鍵詞] 動力特性；實測；脈動法；周期折減系數(shù)
    1 前 言
    　　結(jié)構(gòu)的動力特性是指結(jié)構(gòu)的自振周期、振型和阻尼，是結(jié)構(gòu)自身的基本屬性之一，是進行抗震計算的基本參數(shù)。一般情況下，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)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(jù)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(jié)構(gòu)的阻尼目前還只能通過實測得到，因此，現(xiàn)場實測是了解結(jié)構(gòu)動力特性的基本途徑。
    　　過去我國建筑鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的動力特性實測數(shù)據(jù)比較多，研究也比較深入，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]（GB 50011-2001）第5.2.1條對砌體結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定以及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]（JGJ3-2002）第3.3.17條對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)的規(guī)定，均是有關(guān)研究成果的具體體現(xiàn)。
    　　相對而言，我國鋼結(jié)構(gòu)房屋動力特性的實測數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)和純框架結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu))的動力特性實測值，二者的測試方法略有不同，但測試結(jié)果基本一致。文獻[7]給出了上海地區(qū)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(jié)構(gòu)，兩棟是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。文獻[8]收集了37棟高層鋼結(jié)構(gòu)的實測及計算基本周期，限于當時的條件，只有兩棟是國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的也越來越多，這為研究鋼結(jié)構(gòu)建筑的動力特性提供了客觀條件；另一方面，目前鋼結(jié)構(gòu)房屋采用的周期折減系數(shù)，在《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9]（JGJ 99-98）第4.3.6條的規(guī)定比較籠統(tǒng)，沒有區(qū)分結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度的貢獻也不一樣，這條規(guī)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(jié)構(gòu)純框架房屋的動力特性進行了現(xiàn)場實測，并通過現(xiàn)場實測結(jié)果和有限元計算結(jié)果相比較，研究了樓板和填充墻對鋼框架結(jié)構(gòu)動力特性的影響，并對鋼結(jié)構(gòu)純框架的周期折減系數(shù)進行了探討。
    2 鋼結(jié)構(gòu)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
    　?。?）試驗依據(jù)：《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ101-96）；
    　?。?）試驗儀器與設(shè)備：941B型傳感器，941型放大器和WS-USB數(shù)據(jù)采集分析儀；
    　?。?）試驗原理：從建筑物各測點所測到的速度反應時程，經(jīng)積分變換得到位移反應時程，再經(jīng)傅立葉變換得到傅立葉位移譜，即可確定結(jié)構(gòu)的前若干階自振頻率和振型，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動力特性的影響，本文采用空間結(jié)構(gòu)分析計算軟件ETABS8.4.5計算了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)自重。
    　　3 現(xiàn)場實測及有限元計算分析結(jié)果
    　　3.1攀枝花迎賓苑小區(qū)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(qū)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(shè)防烈度為7度，設(shè)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(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)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(xiàn)澆樓板，與鋼梁頂接。圍護結(jié)構(gòu)采用空心磚砌塊填充，外墻和分戶墻厚200mm，室內(nèi)隔墻厚100mm。標準層結(jié)構(gòu)布置見圖1。

    　　場地內(nèi)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，場地內(nèi)地下水埋深9.00~15.40m，屬孔隙型潛水?；A(chǔ)采用柱下條形基礎(chǔ)，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(jié)果
    　?。?）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。
    　?。?）試驗時建筑物的狀態(tài)：現(xiàn)場實測于2003年4月進行，試驗時建筑物主體結(jié)構(gòu)已完工，外墻及內(nèi)墻已砌筑完工，正處于裝修和設(shè)備安裝階段。
    　　（3）實測結(jié)果：經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以剪切變形為主。


    　　3.1.3 有限元計算分析結(jié)果
    　　結(jié)構(gòu)的自振周期和振型計算結(jié)果見表2和圖3。從表2可以看出，模型3的計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組為第二組，場地土Ⅱ類?；撅L壓0.45kN/m2 ，基本雪壓0.30kN/m2。
    　　該住宅樓上部結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，框架柱采用外包式剛接柱腳。鋼材采用Q345B，基礎(chǔ)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(jié)點。樓板采用100mm厚現(xiàn)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(nèi)隔墻采用75mm厚復合輕質(zhì)保溫墻；分戶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(jié)構(gòu)布置圖見圖5。

    　　場地內(nèi)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(nèi)地下水埋深1.90~2.70m，埋藏較淺，屬孔隙型潛水?；A(chǔ)采用梁式筏板基礎(chǔ)，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(shè)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；
    ?。?）試驗時建筑物的狀態(tài)：現(xiàn)場實測于2003年12月進行，試驗時建筑物主體結(jié)構(gòu)已完工，外墻及內(nèi)墻已砌筑完工，正處于裝修和設(shè)備安裝階段；
    　?。?）實測結(jié)果：經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)以剪切變形為主。


    　　3.2.3 有限元計算分析結(jié)果
    　　結(jié)構(gòu)的自振周期和振型計算結(jié)果見表4和圖5。從表4可以看出，模型3的計算結(jié)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(guān)于鋼結(jié)構(gòu)純框架的周期折減系數(shù)
    　　由以上兩棟鋼結(jié)構(gòu)純框架房屋的動力特性的現(xiàn)場實測及限元計算結(jié)果可以得到：
    　　攀枝花迎賓苑小區(qū)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(jù)文獻[8]的統(tǒng)計分析，高層鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)開間、進深都較大，內(nèi)墻大多使用輕質(zhì)隔斷并且數(shù)量少，外墻多采用幕墻，填充墻對結(jié)構(gòu)的剛度影響較小。攀枝花迎賓苑小區(qū)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(jié)構(gòu)和預制加氣混凝土墻板結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)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(tǒng)計的數(shù)據(jù)雖然較多，但其中只有兩棟是國內(nèi)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(jié)構(gòu)）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(jié)構(gòu)在微幅振動下的周期，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的變形要大得多，填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能已出現(xiàn)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(jié)構(gòu)地震時周期與實測周期的比值要比砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大。若考慮地震時周期會延長2倍，則周期折減系數(shù)為2×1 / 4.48 = 0.45。當然，由于實測數(shù)據(jù)少，此處給出的周期折減系數(shù)僅供參考。
    5 結(jié) 論
    　?。?）多層鋼結(jié)構(gòu)純框架結(jié)構(gòu)房屋的實測振型基本為剪切型，結(jié)構(gòu)以剪切變形為主；
    　?。?）多層結(jié)構(gòu)純鋼框架結(jié)構(gòu)房屋的阻尼比在2%～5%之間；
    　?。?）填充墻剛度大、數(shù)量多的多層鋼框架結(jié)構(gòu)房屋的實測自振周期較短，遠小于按純框架結(jié)構(gòu)計算得到的周期，其周期折減系數(shù)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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