附加隔震支座預(yù)制鋼梯的動力特性測試

常璐平 高洪健 屠念潯

【摘 要】利用激勵荷載作用下的動力特性測試技術(shù)，對理論計算相對困難的實體模型進(jìn)行測試。在測定首階自振頻率滿足舒適度要求，基于半功率點法對該結(jié)構(gòu)的阻尼比進(jìn)行簡單分析的前提下，對不同激勵方式進(jìn)行探討，結(jié)果表明隨機激勵比等間隔激勵方式結(jié)果更加理想。

【關(guān)鍵詞】隔震樓梯 動力特性測試 結(jié)構(gòu)基頻

0引言

實際工程中由于設(shè)計者只關(guān)注結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計，忽略對有外界激勵荷載較多的如橋梁和較大跨度樓梯等結(jié)構(gòu)中發(fā)生人-結(jié)構(gòu)共振的現(xiàn)象，危害結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。剛度較差的結(jié)構(gòu)，規(guī)范CJJ69-5給出了舒適度標(biāo)準(zhǔn)，人行天橋的豎向自振頻率不小于3Hz。豎向自振頻率1-5Hz時，豎向振動加速度小于等于0.043g。近年來，動態(tài)測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，尤其高層建筑和橋梁工程，利用脈動測試技術(shù)可獲得精確度較高的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，對以后結(jié)構(gòu)體系的改造加固積累了重要的數(shù)據(jù)。

本文基于預(yù)制樓梯結(jié)構(gòu)建模復(fù)雜難以分析的情況下，對較大跨度并且附加隔震支座的鋼梯進(jìn)行明確激勵方式作用下的結(jié)構(gòu)基頻的測定，以利于進(jìn)一步施工。

1 工程簡介

河北工業(yè)大學(xué)圖書館3層及4層間細(xì)腰部位端樓板之間的預(yù)制鋼樓梯（Q345）經(jīng)ANSYS建模如圖1.1所示，鋼梁上端與邊梁中預(yù)埋件連接并現(xiàn)澆成整體，下端采用兩隔震支座與箱形梯梁焊接。由于樓梯跨度達(dá)17.3m，對其進(jìn)行有限元建模分析時，網(wǎng)格劃分比較困難，一般計算機的配置難以滿足計算需求，故對該樓梯進(jìn)行動力特性測試。

圖 1.1 鋼樓梯ANSYS幾何模型

人行激勵頻率范圍步行情況下為1.6-2.4Hz，跑步2.0-3.5Hz，彈跳1.8-3.4Hz，靜止時身體擺動為0.4-0.7Hz。由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在，只有當(dāng)人行荷載的激勵頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率較為接近并且激勵能量足夠的情況下，共振才有可能發(fā)生。

該工程鋼樓梯兩邊箱形梯梁寬0.25m，中間踏步及平臺板寬1.3m。由于其空間的局限性，行人密度較大且將下意識的保持同步，同步的可能性較大，所以有必要對其自振頻率進(jìn)行測定。

2 試驗設(shè)備及參數(shù)設(shè)定

2.1 力錘

試驗選用IH-05型（2KN）力錘，錘帽分為橡膠、硬塑和鋼幾種材質(zhì)，選用橡膠錘頭進(jìn)行單次敲擊，頻段內(nèi)的力譜曲線分布平緩，故選用該錘頭即滿足需求。

2.2 傳感器及采集儀

試驗采用壓電式加速度傳感器，頻率范圍為0.5-5000Hz，最大橫向靈敏度比<5%，最大允許加速度1000m·s-2，由于試驗所用力錘激勵能量較小，故采用該加速度傳感器滿足工程需求。采用TST5912兩通道動態(tài)信號分析系統(tǒng)，通道1與力錘連接，通道2連接加速度傳感器。

2.3 測點布置

由于力錘激勵能量較小并且通道數(shù)少，本次試驗為進(jìn)行樓梯的模態(tài)識別。在測量樓梯的自振頻率時，采用單點激勵、單點拾振的方法，測點布置如圖1.1所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 一測點分析

在1點進(jìn)行測試時，傳感器布置在鋼梯第一個平臺板位置，在平臺板上進(jìn)行敲擊。為了避免平臺板的自振頻率與整體結(jié)構(gòu)的自振頻率相混淆，首先對平臺板進(jìn)行ANSYS建模分析，得出平臺板的第一階自振頻率為173.46Hz，其一階振型如圖3.1所示。為模擬單人行走，激勵方式為等時間間隔（1.5s左右）的脈沖激勵。設(shè)置采樣頻率為100Hz，根據(jù)采樣定理，分析頻率在40H左右，在頻段范圍內(nèi)，避免平臺板自身基頻的干擾。采集數(shù)據(jù)經(jīng)過多次平滑后，其響應(yīng)信號的自譜及激勵與響應(yīng)的頻響函數(shù)分別見圖3.2-3.3所示。

圖3.1 平臺板首階振型圖

圖3.2 測點1響應(yīng)信號自功率譜密度函數(shù)

圖3.3 測點1激勵與響應(yīng)信號的頻響函數(shù)復(fù)制曲線

根據(jù)圖3.2，響應(yīng)信號的自譜中出現(xiàn)兩個較高峰值，為f=0.68Hz及f=6.45Hz，說明該信號在兩頻點處功率值較高，根據(jù)圖3.3，頻響函數(shù)在分析頻率范圍內(nèi)存在f=6.45Hz處一個峰值。

3.2 二測點分析

在2點進(jìn)行測試時，傳感器布置在鋼梯第二個平臺板位置，在平臺板旁第一個踏步板上進(jìn)行敲擊。為模擬多人行走時對鋼梯造成的激勵，激勵方式為時間間隔不等的隨機脈沖激勵，激勵力的時間變化曲線如圖3.4所示。

圖3.4 激勵力-時間變化曲線

采集數(shù)據(jù)經(jīng)多次平滑，其響應(yīng)信號的自功率譜密度函數(shù)曲線見圖3.5所示。

圖3.5 測點2響應(yīng)信號自功率譜密度函數(shù)

由圖3.5可見，自譜中在f=6.45 Hz處存在一處峰值，相比于測點1分析結(jié)果中的圖3.2信號的自譜曲線在f=0.68Hz處的峰值消失，說明激勵方式的不同會對響應(yīng)信號造成的影響。據(jù)圖3.2、3.3及3.5，確定該預(yù)制鋼樓梯的基頻問6.45Hz。

4結(jié)果分析

結(jié)合上述實驗，可以表明

1.該預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)附加隔震支座后滿足舒適度要求，由于測試階段預(yù)制樓梯表層的木板及扶手等附加質(zhì)量未安裝就位，勢必導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基頻的降低，因此仍需對后期的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步測試；

2. 激勵方式的不同會對響應(yīng)信號造成的影響，采用隨機脈沖比等時間間隔的脈沖激勵方式獲得的識別結(jié)果更加精確，頻譜更加平緩。

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