CN106323575A - 底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，包括确定测试方案，在底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构实体的主体结构施工完成、未砌筑填充墙工况和填充墙砌筑完成未投入使用两种工况下，对结构的动力特性进行测试分析，验证设计减震性能，分析实体结构的减震性能；对结构的动力特性进行测试分析，根据两种工况下测试结果对比分析。本发明采用动力特性测试技术考虑非结构构件刚度影响、质量分布等多种影响因素对实体结构的动力特性进行测试，测试结果准确可信，通过动力特性进行测试分析，对该结构的减震性能进行验证分析，以及填充墙刚度对该结构抗震性能的影响，提出该类结构抗震性能分析的参数取值。

Description

底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，尤其涉及一种底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法。

背景技术

建筑物的动力特性(包括频率/周期、振型及阻尼比等)是建筑物自身固有的特性，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。因此在计算建筑物的地震反应时，建筑物的动力特性(自振频率、振型及阻尼比)都是十分重要而基本的参数。

结构抗震分析时的动力特性基本采用理论计算方法，由于在理论计算过程中，要先确定计算简图和结构刚度，而实际结构往往是比较复杂的，计算简图都要通过简化。通常填充墙等非结构部件并不计入结构刚度，采用规范给出的周期折减的范围由设计人员自行取值简化考虑，实际的填充墙对结构刚度的影响范围较大，而现行规范无本发明的研究对象(底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构)的建议取值；加之，结构的质量分布、材料实际性能、施工质量等因素都不能很准确地计算。因此，计算动力特性与实际的动力特性相比，往往相差较多，严重的会导致设计的结构不安全。

随着建筑技术的发展，新型结构层出不穷，对新型结构的研究方法目前主要采用计算机模拟分析和缩尺振动台试验。计算机模拟存在诸多与工程实际有差异的假定，振动台试验也存在如缩尺后模型的材料、尺寸效应、重力等的失真或与实际差异较大，以及结构的输入和输出有不同程度的失真等不足。

利用现场实测得到的结构动力特性是建筑物建成后的实际动力特性，考虑了非结构构件刚度影响、质量分布、材料实际性能、施工质量等多种影响因素，没有理论简化，测试结果是实体结构性能的真实反应。

在结构动力特性测试中，拾振器将结构上某一点随时间变化的运动量转化为模拟电信号，数据采集器内的A/D转换器以等时间间隔采样模拟信号，并转换成能通过处理软件进行进一步处理的数字信号。目前通常采用941B型超低频测振仪进行结构动力特性测试，数据采集及处理系统：941B型拾振器用于测试时的信号采集；INV-3060S智能信号采集处理分析系统由INV-3060S采集仪和DASP V10软件组成，用于对放大的脉动信号进行采集、放大、存储和分析处理。测试设备系统经中国测试技术研究院进行设备系统检定合格。

底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构是一种新型的结构，是经理论分析有减震作用的结构体系。但该类结构的动力特性没有试验数据及历史数据参考，结构的减震效果是经理论分析得出的，但实际结构减震性能如何，需验证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，旨在解决理论计算中不能考虑非结构构件刚度影响、质量分布、材料实际性能、施工质量等多种影响因素，导致理论分析参数与实体结构参数相差较大的问题。

本发明是这样实现的，一种底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，该方法采用脉动法对底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试，包括以下步骤：

步骤一、确定测试方案，包括测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容；

步骤二、在底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构实体的主体结构施工完成、未砌筑填充墙工况和填充墙砌筑完成未投入使用两种工况下，对结构的动力特性进行测试分析，验证设计减震性能，分析实体结构的减震性能；

步骤三、对结构的动力特性进行测试分析，根据两种工况下测试结果对比分析，提出填充墙对结构性能的影响程度及底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构抗震分析的参数取值。

进一步，测点布置在各层结构中心位置，布置在梁柱节点并靠近柱附近，每个测点均布置有1个水平向拾振器，分别测试房屋在横向和纵向两个方向上的振动，采集的振动数据为在脉动激励下的速度响应时程。

进一步，数据分析具体要求如下：

频率的数据分析：依据下列原则由结构反应频谱特征判断结构模态频率：

结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；

模态频率处各测点间的相干函数较大；

各测点在模态频率处具有近似相位或反相位的特点；

振型的数据分析：采用结构动力响应互谱与自谱之比来确定振型；

阻尼比的数据分析：依据自谱或互谱采用半功率点的方法计算阻尼比，由下式得到振型的阻尼比：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{B_m}{2f_m}$

式中，B_m是与第i振型有关的谱峰值的半功率点带宽。

本发明提供的底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，采用脉动法对底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架的结构进行动力特性参数进行测试分析，测试结果综合考虑了非结构构件刚度影响、质量分布、材料实际性能、施工质量等多种影响因素，没有理论简化的影响，测试结果准确可信。通过两种工况的测试结果分析，对该结构的减震性能进行验证分析，以及填充墙刚度对该结构抗震性能的影响，提出该类结构抗震性能分析的参数取值，为该类结构的推广应用提供科学依据，为新型结构的性能研究提供一种直接、准确的测试分析方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法流程图。

图2是本发明实施例提供的各层测点布置示意图；

图3是工况一的结构横向及纵向一、二、三阶振型；

图中：(A)工况一的结构横向一、二、三阶振型；(B)工况一的结构纵向一、二、三阶振型；

图4是工况二的结构横向及纵向一、二阶振型；

图中：(A)工况二的结构横向一、二阶振型；(B)工况二的结构纵向一、二阶振型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法包括以下步骤：

S101、确定测试方案，包括测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容；

S102、在底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构实体的主体结构施工完成、未砌筑填充墙工况和填充墙砌筑完成未投入使用两种工况下，对结构的动力特性进行测试分析，验证设计减震性能，分析实体结构的减震性能；

S103、对结构的动力特性进行测试分析，根据两种工况下测试结果对比分析，提出填充墙对结构性能的影响程度及底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构抗震分析的参数取值。

具体方法如下：

步骤一、确定测试方案，主要包括测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容，具体要求如下：

1)测点应布置在各层相对的结构中心的位置，为了避免楼盖局部振动的影响，应布置在梁柱节点并靠近柱附近。该房屋为3跨内廊式框架结构宿舍楼，平面规则对称，本次测试在二层～屋盖的⑤/轴处各布置有1个测点，共计6个测点，该房屋标准层结构平面及测点布置见图2；

2)每个测点均布置有1个水平向拾振器，分别测试房屋在横向和纵向两个方向上的振动；

3)采集的振动数据为在脉动激励下的速度响应时程；

4)根据结构性能研究需要，确定两种测试工况：主体结构施工完成、未砌筑填充墙工况；填充墙砌筑完成未投入使用工况；

步骤二：在主体结构施工完成、未砌筑填充墙时(以下简称“工况一”)，对结构的动力特性进行测试分析，得出该工况下结构振动特性参数：自振频率、振型和阻尼比；采用实测结构振动特性参数与原设计参数对比分析，验证设计减震性能，分析实体结构的减震性能，具体要求如下：

1)频率的数据分析：实际应用中结构自振频率的识别常依据结构反应的自功率谱。但由于测量噪声和激励谱的影响，结构反应自功率谱的峰值处不一定是模态频率。可依据下列原则由结构反应频谱特征判断结构模态频率：①结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；②模态频率处各测点间的相干函数较大；③各测点在模态频率处具有近似相位或反相位的特点。分析得出该工况下的结构自振频率见表1，从结构的自振频率来看，房屋纵、横向一阶自振频率基本一致，说明房屋的纵横向刚度基本相同；在无填充墙的情况下，该房屋的纵向和横向一阶自振周期均为0.57s，在规范的推荐基本自振周期经验取值范围内(0.3s～0.6s)；

表1工况一结构自振频率测试分析结果

2)振型的数据分析：实际多自由度结构的响应由随机力激励引起的响应和由基础运动的激励引起的响应的合成，而由基础运动引起的响应又包含两部分，即地面刚性运动部分和结构弹性反应部分。一般来说，刚性运动部分很难从结构响应中去掉，所以当用结构响应互谱与自谱之比来确定振型时，有一定的近似性。这种近似性来源于：①假设当时，仅考虑单一振型的影响，认为其它振型的影响可以忽略；②结构响应中包含了地面刚性运动，它的存在不仅引起幅值误差，还有相位误差。一般工程结构都具有阻尼较小且频率间隔较大的特点，因此，采用结构动力响应互谱与自谱之比来确定振型的方法比较实用，这样一来，不仅可以回避输入不好确定的问题，而且由于是利用相对关系，还有利于提高数据处理中的信噪比。分析得出工况一的横向及纵向振型分别见图3，从结构振型图来看，该工况下该房屋纵、横向各阶主振振型符合一般框架结构振型特点，振型图上各楼层质点无畸变点，说明该房屋在无填充墙时竖向刚度较均匀；

3)阻尼比的数据分析：由于自谱和互谱包含了有关振型和频率响应函数的信息，这样，可依据自谱或互谱采用半功率点的方法计算阻尼比。下式可得振型的阻尼比：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{B_m}{2f_m}$

式中，B_m是与第i振型有关的谱峰值的半功率点带宽。

分析得出工况一的横向、纵向阻尼比分别见表2、表3。从阻尼比来看，该工况下该房屋纵、横向一阶振型的阻尼比均值分别为2.13％、1.86％，标准差均为0.050％，各楼层质点阻尼比基本一致，纵、横向的阻尼比平均值约为2％，低于常规多层钢筋混凝土结构阻尼比5％常规设定值；

表2工况一的结构横向第一、二、三阶振型阻尼比统计结果

注：表中“●”表示该数据不能从测试原始数据中明显提取。

表3工况一的纵向第一、二、三阶振型阻尼比统计结果

注：表中“●”表示该数据不能从测试原始数据中明显提取。

4)实测参数与设计参数对比分析，验证及评价结构性能

本结构设计阻尼比为0.05。采用PKPM软件计算结构的一阶自振周期：横向为0.713s，纵向为0.661s；采用顶点位移法计算该结构的基本周期为0.678s；实测一阶自振周期为0.57s。根据房屋所处场地抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，设计特征周期Tg＝0.40s；根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的地震影响系数曲线，计算以下三种情况的地震影响系数：

A)普通框架结构理论计算模型：α＝0.89α_max；

B)该结构设计计算模型：采用T＝0.678s，ζ＝0.05计算，α＝0.62α_max；

C)该结构实测结果：采用T＝0.57s，ζ＝0.02计算，α＝0.90α_max；

从理论分析，采用钢管混凝土柱自隔震技术，增大结构自振周期，远离平台段，使地震作用减小地震作用近40％；但该结构设计模型与实体模型相差较大，实测结果的地震作用与普通框架结构的理论计算结果基本相当，即该类结构的实体在弹性地震作用下的减震效果不明显。主要原因是设计分析仅考虑了自振周期变化的影响，未考虑阻尼比变化的影响。因此，对新型结构的设计应同时考虑自振周期和阻尼比的影响，综合判断结构的抗震性能；

步骤三：填充墙砌筑完成未投入使用时(以下简称“工况二”)，对结构的动力特性进行测试分析，根据两次测试结果对比分析，提出填充墙对结构性能的影响程度及该类结构抗震分析的参数取值，具体要求如下：

1)频率的数据分析

分析得出工况二的结构自振频率见表4，从结构的自振频率来看，该工况下房屋纵、横向一阶自振频率基本一致，说明房屋在纵向和横向的刚度基本一致。在有填充墙的情况下，该房屋的横向和纵向一阶自振周期分别为0.247s、0.25s，不在规范的推荐高层建筑基本自振周期经验取值范围内(0.3s～0.6s)。

表4工况二的结构自振频率测试分析结果

2)振型的数据分析

分析得出工况二的横向及纵向振型分别见图4。从结构振型图来看，该工况下房屋纵、横向各阶主振振型符合一般框架结构振型特点，振型图上各楼层质点无明显畸变点。

3)阻尼比的数据分析

分析得出工况二的横向及纵向阻尼比分别见表5、表6。从阻尼比来看，该工况下房屋横、纵向一阶振型的阻尼比均值分别为2.58％、2.08％，横向、纵向的标准差分别为0.057％、0.177％，各楼层质点阻尼比基本一致，纵、横向的阻尼比平均值约为2％，低于常规多层钢筋混凝土结构阻尼比5％常规设定值。

表5工况二的结构横向第一、二阶振型阻尼比统计结果

注：表中“●”表示该数据不能从测试原始数据中明显提取。

表6工况二的纵向第一、二阶振型阻尼比统计结果

注：表中“●”表示该数据不能从测试原始数据中明显提取。

4)与工况一的对比分析及建议

两次测试工况下的自振频率(统计结果见表7)和自振周期(统计结果见表8)对比结果表明，有填充墙与无填充墙的一阶自振频率比值：横向为2.31，纵向为2.29；有填充墙与无填充墙的一阶自振周期比值：横向为0.433，纵向为0.334。有填充墙的情况下，房屋总质量也有所增加，但刚度增加幅度更大，所以频率增减较多。该房屋填充墙明显提高了框架结构的自振频率，大幅度增加了结构的刚度，大幅度降低了结构的自振周期。

表7两次自振频率测试对比结果

表8两次自振周期对比结果

有无填充墙的振型对比表明，无填充墙框架的振型更圆滑、更饱满。可见本工程的填充墙对结构的延性影响很大，这种影响不是单从周期折减中能够体现的。

有无填充墙的阻尼比对比结果(见表9)表明，有填充墙与无填充墙一阶阻尼比的比值：横向为1.21，纵向为1.12；有填充墙与无填充墙二阶阻尼比的比值：横向为0.38，纵向为0.75。对结构计算影响较大的一阶振型的阻尼比，有填充墙的情况下，阻尼比有增加，结构耗能能力有所增加。

表9两次阻尼比对比结果

有无填充墙两种情况下的阻尼比均较规范建议取值小。当结构遭遇中震和大震时，框架结构受损，填充墙会损坏，结构阻尼比会增加。但多遇地震的验算时，结构处于弹性阶段，填充墙基本不会破坏，不会影响填充墙的刚度。因此，对该类结构的弹性阶段设计验算时的阻尼比建议取值宜为2.0％～2.5％。

对本工程而言，根据结构实测的自振周期确定的地震影响系数在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010图5.1.5中0.1～T_g的平台段，阻尼比对本工程实体结构无影响。但设计计算的自振周期确定的地震影响系数在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-201图5.1.5中T_g～5T_g的陡降段，阻尼比的取值又比实测值大，实际计算的地震作用就更偏小。考虑到该工程为重点设防类，应按实测动力特性参数对该工程进行重新复核验算。

1)对结构设计资料进行综合分析，确定动力特性测试方法——脉动法。

2)根据结构类型，确定测试工况：上部结构施工完成、未砌筑填充墙测试1次(简称工况一)；填充墙砌筑完成、未交付使用测试1次(简称工况二)。

3)根据结构平面布置，确定测点位置。在房屋的相对中心各层⑤/轴柱处布置6测点。各层测点布置示意图见图2。

4)每个测点均布置有1个水平向拾振器，分别测试房屋在横向和纵向两个方向上的振动，采集的振动数据为在脉动激励下的速度响应时程。

5)分析得出实体结构的动力特性(自振频率、振型及阻尼比)，用于结构抗震性能分析。

6)采用实测动力特性对结构的抗震性能进行分析，工况一的测试分析结果如下：

A)频率或周期：从结构的自振频率来看，房屋纵、横向一阶自振频率基本一致，说明房屋的纵横向刚度基本相同；在无填充墙的情况下，该房屋的纵向和横向一阶自振周期均为0.57s，在规范的推荐基本自振周期经验取值范围内(0.3s～0.6s)。

B)振型：结构振型图来看，该房屋纵、横向各阶主振振型符合一般框架结构振型特点，振型图上各楼层质点无畸变点，说明该房屋在无填充墙时竖向刚度较均匀。

C)阻尼比：实测平均阻尼比为0.02，设计采用阻尼比为0.05，两者相差较大。

D)对比分析：实测值与PKPM计算结果的比值分别为0.8、0.86，实测值与顶点位移法的计算结果的比值为0.84。本次实测时无填充墙、基本无楼面活载和外加恒载影响，实测自振周期较理论计算周期短，主要是因为理论计算模型简化的影响。因此，在对无填充墙的框架结构计算分析时，也应考虑周期折减的影响。

E)抗震性能分析：从理论分析，采用钢管混凝土柱自隔震技术，增大结构自振周期，远离平台段，使地震作用减小地震作用近40％。但该结构设计模型与实体模型相差较大，实测结果的地震作用与普通框架结构的理论计算结果基本相当，即该类结构的实体在弹性地震作用下的减震效果不明显。主要原因是设计分析仅考虑了自振周期变化的影响，未考虑阻尼比变化的影响。因此，对新型结构的设计应同时考虑自振周期和阻尼比的影响，综合判断结构的抗震性能。

7)工况二的测试分析结果如下：

A)频率或周期：从结构的自振频率来看，该工况下房屋纵、横向一阶自振频率基本一致，说明房屋在纵向和横向的刚度基本一致。在有填充墙的情况下，该房屋的横向和纵向一阶自振周期分别为0.247s、0.25s，不在规范的推荐高层建筑基本自振周期经验取值范围内(0.3s～0.6s)。

B)振型：从结构振型图来看，该工况下房屋纵、横向各阶主振振型符合一般框架结构振型特点，振型图上各楼层质点无明显畸变点。

C)阻尼比：从阻尼比来看，该工况下房屋横、纵向一阶振型的阻尼比均值分别为2.58％、2.08％，横向、纵向的标准差分别为0.057％、0.177％，各楼层质点阻尼比基本一致，纵、横向的阻尼比平均值约为2％，低于常规多层钢筋混凝土结构阻尼比5％常规设定值。直接采用0.05阻尼比设计的结构存在较大的抗震安全隐患。

D)对比分析结论1：有填充墙的情况下，房屋总质量也有所增加，但刚度增加幅度更大，所以频率增减较多。该房屋填充墙明显提高了框架结构的自振频率，大幅度增加了结构的刚度，大幅度降低了结构的自振周期。

E)对比分析结论2：有无填充墙的振型对比表明，无填充墙框架的振型更圆滑、更饱满。可见本工程的填充墙对结构的延性影响很大，这种影响不是单从周期折减中能够体现的。

F)对比分析结论3：对结构计算影响较大的一阶振型的阻尼比，有填充墙与无填充墙一阶阻尼比的比值：横向为1.21，纵向为1.12。即有填充墙的情况下，阻尼比有增加，结构耗能能力有所增加。

G)对比分析结论4：有无填充墙两种情况下的阻尼比均较规范建议取值小。当结构遭遇中震和大震时，框架结构受损，填充墙会损坏，结构阻尼比会增加。但多遇地震的验算时，结构处于弹性阶段，填充墙基本不会破坏，不会影响填充墙的刚度。因此，对该类结构的弹性阶段设计验算时的阻尼比建议取值宜为2.0％～2.5％。

G)对比分析结论5：对本工程而言，根据结构实测的自振周期确定的地震影响系数在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010图5.1.5中0.1～T_g的平台段，阻尼比对本工程实体结构无影响。但设计计算的自振周期确定的地震影响系数在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-201图5.1.5中T_g～5T_g的陡降段，阻尼比的取值又比实测值大，实际计算的地震作用就更偏小。考虑到该工程为重点设防类，应按实测动力特性参数对该工程进行重新复核验算。

综合两次测试分析结果表明，对新型结构的性能研究，动力特性测试是必需的、准确的和最直接的方法。

本发明提供的底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，采用脉动法对底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架的结构进行动力特性参数进行测试分析，测试结果综合考虑了非结构构件刚度影响、质量分布、材料实际性能、施工质量等多种影响因素，没有理论简化的影响，测试结果准确可信。通过两种工况的测试结果分析，对该结构的减震性能进行验证分析，以及填充墙刚度对该结构抗震性能的影响，提出该类结构抗震性能分析的参数取值，为该类结构的推广应用提供科学依据，为新型结构的性能研究提供一种直接、准确的测试分析方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，其特征在于，该方法采用脉动法对底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试，包括以下步骤：

步骤一、确定测试方案，包括测试方法、测点位置、测点数量、测试工况及测试的内容；

步骤二、在底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构实体的主体结构施工完成、未砌筑填充墙工况和填充墙砌筑完成未投入使用两种工况下，对结构的动力特性进行测试分析，验证设计减震性能，分析实体结构的减震性能；

步骤三、对结构的动力特性进行测试分析，根据两种工况下测试结果对比分析，提出填充墙对结构性能的影响程度及底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构抗震分析的参数取值。

2.如权利要求1所述底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，其特征在于，测点布置在各层结构中心位置，布置在梁柱节点并靠近柱附近，每个测点均布置有1个水平向拾振器，分别测试房屋在横向和纵向两个方向上的振动，采集的振动数据为在脉动激励下的速度响应时程。

3.如权利要求1所述底层钢管混凝土柱的钢筋混凝土框架结构性能测试方法，其特征在于，数据分析具体要求如下：

频率的数据分析：依据下列原则由结构反应频谱特征判断结构模态频率：

结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；

模态频率处各测点间的相干函数较大；

各测点在模态频率处具有近似相位或反相位的特点；

振型的数据分析：采用结构动力响应互谱与自谱之比来确定振型；

阻尼比的数据分析：依据自谱或互谱采用半功率点的方法计算阻尼比，由下式得到振型的阻尼比：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{B_m}{2f_m}$

式中，B_m是与第i振型有关的谱峰值的半功率点带宽。