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土木工程专业文献翻译
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施工期钢筋混凝土框架结构的动力特性
摘要：
对随时间变化的力学参数、混凝土浇筑、临时模板支撑系统和施工机械对施工期混凝土框架结构的结构动力特性的影响进行了试验分析研究。
应用环境激励法对一栋8层混凝土框架的第6层和屋顶施工阶段的动力特性进行检测。
试验获得各施工阶段的结构响应传递函数，及其模态频率、振型和阻尼比，分析了施工阶段结构响应传递函数，及其模态频率、振型和阻尼比的变化。
结果显示，固有频率和阻尼系数在浇筑新混凝土时达到最大值，尤其是对于高层建筑来说。
施工阶段模式阻尼系数比一般小于5%。
关键词：
结构动力学；外界扰动；施工期结构；模态；固有频率；阻尼系数比
1.前言
结构的动力特性是建筑物自身固有的特性，一般是指结构的固有频率（或者振动周期）、振型及阻尼比。
建筑物的地震反应是由地面运动的性质和结构本身的动力特性决定的；此外，在脉动风荷载作用下建筑物的反应也与结构动力特性相关。
因此，在计算地震反应和确定风荷载时，结构的动力特性（自振频率、振型及阻尼比）是十分重要而基本的参数。
在建筑结构设计或者工程结构的抗震、抗风或抵御其他动力荷载的性能时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的动力特性，确保在某种超越概率的动力灾害作用下结构的安全。
1980年，MEYYAPPA等利用环境振动响应数据估算了高层建筑的模参数。
SCHUSTER等在1994年研究了32层建筑的动力行为。
MEMARI依据环境振动和简谐振动分析热压处理的多孔钢筋混凝土的动力行为。
2001年，ELLIS和BOUGARD对木结构建筑做了类似的研究。
本文通过对某一层结构处于施工过程中的混凝土框架结构进行结构动力特性试验，研究其模板支撑系统搭建阶段、钢筋绑扎阶段、混凝土浇筑、混凝土养护阶段和下层模板支撑系统拆除阶段等一个施工周期中的各个阶段的混凝土框架结构自振频率和响应传递函数曲线的变化规律；试验研究屋顶的混凝土浇筑阶段和各层临时模板支撑系统拆除等各个施工过程的混凝土框架结构动力特性的变化规律。
2.结构概况
本研究中的结构为某集体宿舍公寓楼中8层规则现浇钢筋混凝土框架结构，平面规模为16.80m×25.20m，如图1所示。
该建筑从地基算起高25.80m，从地平面算起高24.30m。
第一层高3.3m，二至八层均为3.00m。
该框架结构混凝土强度等级为：
框架柱：
1至4层为C40，5至8层为C35。
标准层楼板厚度为110mm。
底层柱截面为400x500mm，框架柱截面随着层数的增加而依次递减，顶层柱截面为300x400mm。
基底系统包含厚度为120mm的现浇混凝土并且其框架梁和楼板均为C30。
底层框架施工周期为9天，其余层施工周期为7天。
框架结构施工采用三层模板支撑，施工模板采用9层竹质胶合板。
施工程序包括：
（1）配置支撑；
（2）捆绑钢筋；（3）浇筑混凝土；（4）混凝土固化；（5）移除低层的网格和支撑板，并将其移到下一层。
试验贯穿整六层施工全过程，分为八个阶段。
连通层及施工阶段如表1所示。
各个工况数据采集间隔时间约为24±3小时。
每一试验阶段的环境振动数据被分别记录下来以评估它的动力特性。
图1.标准层的结构平面布置图
表1.第1个试验阶段的8个试验工况
工况
第3层楼面
第4层楼面
第5层楼面
第6层楼面
时间
1
拆模
养护
养护
——
计时起始
2
养护
养护
养护
搭建模板支撑系统
1天
3
养护
养护
养护
搭建模板支撑系统
2天
4
养护
养护
养护
钢筋绑扎
3天
5
养护
养护
养护
钢筋绑扎
4天
6
养护
养护
养护
混凝土浇筑
5天
7
养护
养护
养护
养护
6天
8
养护
拆模
养护
养护
7天
3.环境振动测试与分析
环境振动试验的目的是研究钢筋混凝土结构在施工期的动力特性。
因此，这些测试是为了估计模态频率，模态形状和阻尼系数比用测试环境振动的方法。
拾振器布置于各楼层几何中心，测量方向沿K轴。
过去的经验显示，施工期和使用期的环境振动试验的结构动力特性是较准确的，环境振动试验是获取结构特性较可行的途径。
而且试验不需关闭建筑设备，正常运行的情况下就可以完成试验。
对环境刺激的响应（微振、风、交通）倾向于自然模态。
因此，通过傅里叶变换很容易确定其主频率。
因为环境振动大多数都振幅微小，所以需要高灵敏的仪器。
本试验中，测试系统包括加速器、信号放大器和数据存储器，每一楼层的环境振动都被同步记录并储存。
该系统的加速度分辨率为1×10-5m/s2，通频带为l～30Hz。
所有通道的每一个记录器以每秒256个样品的速度记录数据。
理论上，当结构受到环境振动激励，它的响应将是最强的，接近共振频率。
在从响应记录获取的傅里叶光谱曲线上共振出现在波峰处。
此外，对于真实振动模式的低阻尼结构来说，这些波峰与结构的固有频率相符合。
在分析环境振动时，常应用到以下两个最重要的假设。
（1）激励有足够的随机带宽，以便使至少三到四个结构模式受到激励。
（2）共振模式有低阻尼，共振频率很明显，并容易区分。
在以上假设条件下，最大振幅的频率可以看作是建筑的共振频率。
由于记录的信号数据包括对评估动力特性毫无作用的直流分量，所以，将其按如下方法去除掉。
式中，
——为原始振动信号序列；
——为消除直流分量的信号序列，
——为信号均值。
能获取环境振动是很方便的。
然而，环境振动的振幅太低，以至于记录的数据受到噪音的干扰。
所以，仅仅依靠传统的光谱分析技术来分析环境振动是很困难的。
平均频谱计算如下：
首先，数据依时间序列分为几个部分，相邻部分有所重叠。
将
分为
其中，
为第l信号序列.
k=l，⋯，K，K为信号序列段的数据点数；
l=1，⋯，L，三为信号序列总分段数。
λ为各信号序列段的重叠系数。
其次，在使用短期傅里叶变换计算过程中，用海明窗口函数来减缓频繁渗漏的影响：
H（）表示海明窗口函数，k=0,1,…N-1.
最后，率带宽法进行模态阻尼比估计的算法如下式所示：
或
式中，fn为共振峰峰值频率；f1、f2分别为幅值为
时对应的频率点，A为共振峰幅值，Δf为半功率带宽。
Δf为半功率带宽的准确性直接影响阻尼比的估计精度。
因为功率谱线由离散数据构成，而非连续谱线。
为提高Δf为半功率带宽的准确性，采用三次样条插值估计幅值为
时对应的频率点f1、f2。
依据不同层的加速度反馈和快速傅里叶变换获得的相位差，模型可以从地基环境振动共振频率层之间自振频率比获得。
为了解决实际问题，应用如下步骤：
一、消除信号的直流部分；
二、计算平均频谱；
三、依据平均频谱，共振频率被分为结构的局部特性和工程逻辑及经验的合并。
四、估计模态阻尼比。
五、估计模态。
表2信号处理参数
参数
取值
信号序列持时
1800s
采样频率
256Hz
信号序列分析段的数据点数
4096
信号序列分析段的重叠系数
1/2
4.施工期结构的动力特性
环境振动试验分为8个阶段。
在各层和地基放置加速器时均进行校准。
此试验的目的在于确定建筑工程对动力特性的影响。
对环境振动进行了傅里叶光谱分析，地基运动的自功率谱和各层与地基之间的交叉功率谱均进行了计算。
图2显示第一工段的结果图。
图3是第六工段，图4是第八工段，分别显示出移除支柱的第三层，现浇混凝土的第六层和移除支柱的第四层的频率范围特征。
第8工段的地基模态频率，阻尼系数比以及模态振型分别显示在图5,6,7中。
如图2-7中所示，随着时间的增加，结构的坚硬度增加。
同时，传送支柱和捆绑的螺纹钢筋增加了局部质量。
以上增加速率影响着动力特性：
地基模态频率从第一工段到第二工段都增加，三到四工段减少，然而阻尼系数比从第一工段到第五工段都减少。
图2第1试验阶段第1工况
图3第1试验阶段第6工况
图4第1试验阶段第8工况
图5第1阶自振频率变化图
图6第1阶阻尼比变化图
图7不同施工阶段的基底模态振型
施工期现浇混凝土和操作建筑设备的振动对动力特性的影响是非常明显的。
在建筑阶段，现浇混凝土在第六施工阶段贡献巨大，第六阶段的固有频率达到最小值，但阻尼系数达到最大值。
自功率谱曲线如图3所示：
（1）由曲线振幅看出，现浇混凝土和操作建筑设备的影响对二三模式的影响比基底的影响大。
（2）从第五层截面谱曲线看出，二三模式频率比其他的低，这是因为其他模移除了共振频率。
（3）功率谱曲线表明第一层的振幅小于其他层。
如图7中所示，第六阶段的基底模态振型和其他阶段的不同。
图6所示，很明显，在施工阶段基底的阻尼系数比小于使用期混凝土结构的5%。
然而，有一点需要注意，填充墙和隔断墙在试验阶段都已经被建造。
5.结论
（1）新浇筑混凝土构件和施工设备操作对结构动力特性的影响最明显，尤其对于较高阶模态来说。
（2）钢筋混凝土框架结构的动力特性和混凝土的时变弹性模量以及支柱和窗体的施工质量有关。
（3）施工期的钢筋混凝土框架结构的阻尼系数比使用期的小5%。
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