底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法與流程

本發明屬于建筑技術領域，尤其涉及一種底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法。

背景技術：

建筑物的動力特性(包括頻率/周期、振型及阻尼比等)是建筑物自身固有的特性，建筑物的地震反應是由地面運動的性質和結構本身的動力特性決定的。因此在計算建筑物的地震反應時，建筑物的動力特性(自振頻率、振型及阻尼比)都是十分重要而基本的參數。

結構抗震分析時的動力特性基本采用理論計算方法，由于在理論計算過程中，要先確定計算簡圖和結構剛度，而實際結構往往是比較復雜的，計算簡圖都要通過簡化。通常填充墻等非結構部件并不計入結構剛度，采用規范給出的周期折減的范圍由設計人員自行取值簡化考慮，實際的填充墻對結構剛度的影響范圍較大，而現行規范無本發明的研究對象(底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構)的建議取值；加之，結構的質量分布、材料實際性能、施工質量等因素都不能很準確地計算。因此，計算動力特性與實際的動力特性相比，往往相差較多，嚴重的會導致設計的結構不安全。

隨著建筑技術的發展，新型結構層出不窮，對新型結構的研究方法目前主要采用計算機模擬分析和縮尺振動臺試驗。計算機模擬存在諸多與工程實際有差異的假定，振動臺試驗也存在如縮尺后模型的材料、尺寸效應、重力等的失真或與實際差異較大，以及結構的輸入和輸出有不同程度的失真等不足。

利用現場實測得到的結構動力特性是建筑物建成后的實際動力特性，考慮了非結構構件剛度影響、質量分布、材料實際性能、施工質量等多種影響因素，沒有理論簡化，測試結果是實體結構性能的真實反應。

在結構動力特性測試中，拾振器將結構上某一點隨時間變化的運動量轉化為模擬電信號，數據采集器內的A/D轉換器以等時間間隔采樣模擬信號，并轉換成能通過處理軟件進行進一步處理的數字信號。目前通常采用941B型超低頻測振儀進行結構動力特性測試，數據采集及處理系統：941B型拾振器用于測試時的信號采集；INV-3060S智能信號采集處理分析系統由INV-3060S采集儀和DASP V10軟件組成，用于對放大的脈動信號進行采集、放大、存儲和分析處理。測試設備系統經中國測試技術研究院進行設備系統檢定合格。

底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構是一種新型的結構，是經理論分析有減震作用的結構體系。但該類結構的動力特性沒有試驗數據及歷史數據參考，結構的減震效果是經理論分析得出的，但實際結構減震性能如何，需驗證。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法，旨在解決理論計算中不能考慮非結構構件剛度影響、質量分布、材料實際性能、施工質量等多種影響因素，導致理論分析參數與實體結構參數相差較大的問題。

本發明是這樣實現的，一種底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法，該方法采用脈動法對底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試，包括以下步驟：

步驟一、確定測試方案，包括測試方法、測點位置、測點數量、測試工況及測試的內容；

步驟二、在底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構實體的主體結構施工完成、未砌筑填充墻工況和填充墻砌筑完成未投入使用兩種工況下，對結構的動力特性進行測試分析，驗證設計減震性能，分析實體結構的減震性能；

步驟三、對結構的動力特性進行測試分析，根據兩種工況下測試結果對比分析，提出填充墻對結構性能的影響程度及底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構抗震分析的參數取值。

進一步，測點布置在各層結構中心位置，布置在梁柱節點并靠近柱附近，每個測點均布置有1個水平向拾振器，分別測試房屋在橫向和縱向兩個方向上的振動，采集的振動數據為在脈動激勵下的速度響應時程。

進一步，數據分析具體要求如下：

頻率的數據分析：依據下列原則由結構反應頻譜特征判斷結構模態頻率：

結構反應各測點的自功率譜峰值位于同一頻率處；

模態頻率處各測點間的相干函數較大；

各測點在模態頻率處具有近似相位或反相位的特點；

振型的數據分析：采用結構動力響應互譜與自譜之比來確定振型；

阻尼比的數據分析：依據自譜或互譜采用半功率點的方法計算阻尼比，由下式得到振型的阻尼比：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{B_m}{2f_m}$

式中，B_m是與第i振型有關的譜峰值的半功率點帶寬。

本發明提供的底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法，采用脈動法對底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架的結構進行動力特性參數進行測試分析，測試結果綜合考慮了非結構構件剛度影響、質量分布、材料實際性能、施工質量等多種影響因素，沒有理論簡化的影響，測試結果準確可信。通過兩種工況的測試結果分析，對該結構的減震性能進行驗證分析，以及填充墻剛度對該結構抗震性能的影響，提出該類結構抗震性能分析的參數取值，為該類結構的推廣應用提供科學依據，為新型結構的性能研究提供一種直接、準確的測試分析方法。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法流程圖。

圖2是本發明實施例提供的各層測點布置示意圖；

圖3是工況一的結構橫向及縱向一、二、三階振型；

圖中：(A)工況一的結構橫向一、二、三階振型；(B)工況一的結構縱向一、二、三階振型；

圖4是工況二的結構橫向及縱向一、二階振型；

圖中：(A)工況二的結構橫向一、二階振型；(B)工況二的結構縱向一、二階振型。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例的底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法包括以下步驟：

S101、確定測試方案，包括測試方法、測點位置、測點數量、測試工況及測試的內容；

S102、在底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構實體的主體結構施工完成、未砌筑填充墻工況和填充墻砌筑完成未投入使用兩種工況下，對結構的動力特性進行測試分析，驗證設計減震性能，分析實體結構的減震性能；

S103、對結構的動力特性進行測試分析，根據兩種工況下測試結果對比分析，提出填充墻對結構性能的影響程度及底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構抗震分析的參數取值。

具體方法如下：

步驟一、確定測試方案，主要包括測試方法、測點位置、測點數量、測試工況及測試的內容，具體要求如下：

1)測點應布置在各層相對的結構中心的位置，為了避免樓蓋局部振動的影響，應布置在梁柱節點并靠近柱附近。該房屋為3跨內廊式框架結構宿舍樓，平面規則對稱，本次測試在二層～屋蓋的⑤/軸處各布置有1個測點，共計6個測點，該房屋標準層結構平面及測點布置見圖2；

2)每個測點均布置有1個水平向拾振器，分別測試房屋在橫向和縱向兩個方向上的振動；

3)采集的振動數據為在脈動激勵下的速度響應時程；

4)根據結構性能研究需要，確定兩種測試工況：主體結構施工完成、未砌筑填充墻工況；填充墻砌筑完成未投入使用工況；

步驟二：在主體結構施工完成、未砌筑填充墻時(以下簡稱“工況一”)，對結構的動力特性進行測試分析，得出該工況下結構振動特性參數：自振頻率、振型和阻尼比；采用實測結構振動特性參數與原設計參數對比分析，驗證設計減震性能，分析實體結構的減震性能，具體要求如下：

1)頻率的數據分析：實際應用中結構自振頻率的識別常依據結構反應的自功率譜。但由于測量噪聲和激勵譜的影響，結構反應自功率譜的峰值處不一定是模態頻率。可依據下列原則由結構反應頻譜特征判斷結構模態頻率：①結構反應各測點的自功率譜峰值位于同一頻率處；②模態頻率處各測點間的相干函數較大；③各測點在模態頻率處具有近似相位或反相位的特點。分析得出該工況下的結構自振頻率見表1，從結構的自振頻率來看，房屋縱、橫向一階自振頻率基本一致，說明房屋的縱橫向剛度基本相同；在無填充墻的情況下，該房屋的縱向和橫向一階自振周期均為0.57s，在規范的推薦基本自振周期經驗取值范圍內(0.3s～0.6s)；

表1工況一結構自振頻率測試分析結果

2)振型的數據分析：實際多自由度結構的響應由隨機力激勵引起的響應和由基礎運動的激勵引起的響應的合成，而由基礎運動引起的響應又包含兩部分，即地面剛性運動部分和結構彈性反應部分。一般來說，剛性運動部分很難從結構響應中去掉，所以當用結構響應互譜與自譜之比來確定振型時，有一定的近似性。這種近似性來源于：①假設當時，僅考慮單一振型的影響，認為其它振型的影響可以忽略；②結構響應中包含了地面剛性運動，它的存在不僅引起幅值誤差，還有相位誤差。一般工程結構都具有阻尼較小且頻率間隔較大的特點，因此，采用結構動力響應互譜與自譜之比來確定振型的方法比較實用，這樣一來，不僅可以回避輸入不好確定的問題，而且由于是利用相對關系，還有利于提高數據處理中的信噪比。分析得出工況一的橫向及縱向振型分別見圖3，從結構振型圖來看，該工況下該房屋縱、橫向各階主振振型符合一般框架結構振型特點，振型圖上各樓層質點無畸變點，說明該房屋在無填充墻時豎向剛度較均勻；

3)阻尼比的數據分析：由于自譜和互譜包含了有關振型和頻率響應函數的信息，這樣，可依據自譜或互譜采用半功率點的方法計算阻尼比。下式可得振型的阻尼比：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{B_m}{2f_m}$

式中，B_m是與第i振型有關的譜峰值的半功率點帶寬。

分析得出工況一的橫向、縱向阻尼比分別見表2、表3。從阻尼比來看，該工況下該房屋縱、橫向一階振型的阻尼比均值分別為2.13％、1.86％，標準差均為0.050％，各樓層質點阻尼比基本一致，縱、橫向的阻尼比平均值約為2％，低于常規多層鋼筋混凝土結構阻尼比5％常規設定值；

表2工況一的結構橫向第一、二、三階振型阻尼比統計結果

注：表中“●”表示該數據不能從測試原始數據中明顯提取。

表3工況一的縱向第一、二、三階振型阻尼比統計結果

注：表中“●”表示該數據不能從測試原始數據中明顯提取。

4)實測參數與設計參數對比分析，驗證及評價結構性能

本結構設計阻尼比為0.05。采用PKPM軟件計算結構的一階自振周期：橫向為0.713s，縱向為0.661s；采用頂點位移法計算該結構的基本周期為0.678s；實測一階自振周期為0.57s。根據房屋所處場地抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，設計特征周期Tg＝0.40s；根據現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010的地震影響系數曲線，計算以下三種情況的地震影響系數：

A)普通框架結構理論計算模型：α＝0.89α_max；

B)該結構設計計算模型：采用T＝0.678s，ζ＝0.05計算，α＝0.62α_max；

C)該結構實測結果：采用T＝0.57s，ζ＝0.02計算，α＝0.90α_max；

從理論分析，采用鋼管混凝土柱自隔震技術，增大結構自振周期，遠離平臺段，使地震作用減小地震作用近40％；但該結構設計模型與實體模型相差較大，實測結果的地震作用與普通框架結構的理論計算結果基本相當，即該類結構的實體在彈性地震作用下的減震效果不明顯。主要原因是設計分析僅考慮了自振周期變化的影響，未考慮阻尼比變化的影響。因此，對新型結構的設計應同時考慮自振周期和阻尼比的影響，綜合判斷結構的抗震性能；

步驟三：填充墻砌筑完成未投入使用時(以下簡稱“工況二”)，對結構的動力特性進行測試分析，根據兩次測試結果對比分析，提出填充墻對結構性能的影響程度及該類結構抗震分析的參數取值，具體要求如下：

1)頻率的數據分析

分析得出工況二的結構自振頻率見表4，從結構的自振頻率來看，該工況下房屋縱、橫向一階自振頻率基本一致，說明房屋在縱向和橫向的剛度基本一致。在有填充墻的情況下，該房屋的橫向和縱向一階自振周期分別為0.247s、0.25s，不在規范的推薦高層建筑基本自振周期經驗取值范圍內(0.3s～0.6s)。

表4工況二的結構自振頻率測試分析結果

2)振型的數據分析

分析得出工況二的橫向及縱向振型分別見圖4。從結構振型圖來看，該工況下房屋縱、橫向各階主振振型符合一般框架結構振型特點，振型圖上各樓層質點無明顯畸變點。

3)阻尼比的數據分析

分析得出工況二的橫向及縱向阻尼比分別見表5、表6。從阻尼比來看，該工況下房屋橫、縱向一階振型的阻尼比均值分別為2.58％、2.08％，橫向、縱向的標準差分別為0.057％、0.177％，各樓層質點阻尼比基本一致，縱、橫向的阻尼比平均值約為2％，低于常規多層鋼筋混凝土結構阻尼比5％常規設定值。

表5工況二的結構橫向第一、二階振型阻尼比統計結果

注：表中“●”表示該數據不能從測試原始數據中明顯提取。

表6工況二的縱向第一、二階振型阻尼比統計結果

注：表中“●”表示該數據不能從測試原始數據中明顯提取。

4)與工況一的對比分析及建議

兩次測試工況下的自振頻率(統計結果見表7)和自振周期(統計結果見表8)對比結果表明，有填充墻與無填充墻的一階自振頻率比值：橫向為2.31，縱向為2.29；有填充墻與無填充墻的一階自振周期比值：橫向為0.433，縱向為0.334。有填充墻的情況下，房屋總質量也有所增加，但剛度增加幅度更大，所以頻率增減較多。該房屋填充墻明顯提高了框架結構的自振頻率，大幅度增加了結構的剛度，大幅度降低了結構的自振周期。

表7兩次自振頻率測試對比結果

表8兩次自振周期對比結果

有無填充墻的振型對比表明，無填充墻框架的振型更圓滑、更飽滿。可見本工程的填充墻對結構的延性影響很大，這種影響不是單從周期折減中能夠體現的。

有無填充墻的阻尼比對比結果(見表9)表明，有填充墻與無填充墻一階阻尼比的比值：橫向為1.21，縱向為1.12；有填充墻與無填充墻二階阻尼比的比值：橫向為0.38，縱向為0.75。對結構計算影響較大的一階振型的阻尼比，有填充墻的情況下，阻尼比有增加，結構耗能能力有所增加。

表9兩次阻尼比對比結果

有無填充墻兩種情況下的阻尼比均較規范建議取值小。當結構遭遇中震和大震時，框架結構受損，填充墻會損壞，結構阻尼比會增加。但多遇地震的驗算時，結構處于彈性階段，填充墻基本不會破壞，不會影響填充墻的剛度。因此，對該類結構的彈性階段設計驗算時的阻尼比建議取值宜為2.0％～2.5％。

對本工程而言，根據結構實測的自振周期確定的地震影響系數在現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010圖5.1.5中0.1～T_g的平臺段，阻尼比對本工程實體結構無影響。但設計計算的自振周期確定的地震影響系數在現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011-201圖5.1.5中T_g～5T_g的陡降段，阻尼比的取值又比實測值大，實際計算的地震作用就更偏小。考慮到該工程為重點設防類，應按實測動力特性參數對該工程進行重新復核驗算。

1)對結構設計資料進行綜合分析，確定動力特性測試方法——脈動法。

2)根據結構類型，確定測試工況：上部結構施工完成、未砌筑填充墻測試1次(簡稱工況一)；填充墻砌筑完成、未交付使用測試1次(簡稱工況二)。

3)根據結構平面布置，確定測點位置。在房屋的相對中心各層⑤/軸柱處布置6測點。各層測點布置示意圖見圖2。

4)每個測點均布置有1個水平向拾振器，分別測試房屋在橫向和縱向兩個方向上的振動，采集的振動數據為在脈動激勵下的速度響應時程。

5)分析得出實體結構的動力特性(自振頻率、振型及阻尼比)，用于結構抗震性能分析。

6)采用實測動力特性對結構的抗震性能進行分析，工況一的測試分析結果如下：

A)頻率或周期：從結構的自振頻率來看，房屋縱、橫向一階自振頻率基本一致，說明房屋的縱橫向剛度基本相同；在無填充墻的情況下，該房屋的縱向和橫向一階自振周期均為0.57s，在規范的推薦基本自振周期經驗取值范圍內(0.3s～0.6s)。

B)振型：結構振型圖來看，該房屋縱、橫向各階主振振型符合一般框架結構振型特點，振型圖上各樓層質點無畸變點，說明該房屋在無填充墻時豎向剛度較均勻。

C)阻尼比：實測平均阻尼比為0.02，設計采用阻尼比為0.05，兩者相差較大。

D)對比分析：實測值與PKPM計算結果的比值分別為0.8、0.86，實測值與頂點位移法的計算結果的比值為0.84。本次實測時無填充墻、基本無樓面活載和外加恒載影響，實測自振周期較理論計算周期短，主要是因為理論計算模型簡化的影響。因此，在對無填充墻的框架結構計算分析時，也應考慮周期折減的影響。

E)抗震性能分析：從理論分析，采用鋼管混凝土柱自隔震技術，增大結構自振周期，遠離平臺段，使地震作用減小地震作用近40％。但該結構設計模型與實體模型相差較大，實測結果的地震作用與普通框架結構的理論計算結果基本相當，即該類結構的實體在彈性地震作用下的減震效果不明顯。主要原因是設計分析僅考慮了自振周期變化的影響，未考慮阻尼比變化的影響。因此，對新型結構的設計應同時考慮自振周期和阻尼比的影響，綜合判斷結構的抗震性能。

7)工況二的測試分析結果如下：

A)頻率或周期：從結構的自振頻率來看，該工況下房屋縱、橫向一階自振頻率基本一致，說明房屋在縱向和橫向的剛度基本一致。在有填充墻的情況下，該房屋的橫向和縱向一階自振周期分別為0.247s、0.25s，不在規范的推薦高層建筑基本自振周期經驗取值范圍內(0.3s～0.6s)。

B)振型：從結構振型圖來看，該工況下房屋縱、橫向各階主振振型符合一般框架結構振型特點，振型圖上各樓層質點無明顯畸變點。

C)阻尼比：從阻尼比來看，該工況下房屋橫、縱向一階振型的阻尼比均值分別為2.58％、2.08％，橫向、縱向的標準差分別為0.057％、0.177％，各樓層質點阻尼比基本一致，縱、橫向的阻尼比平均值約為2％，低于常規多層鋼筋混凝土結構阻尼比5％常規設定值。直接采用0.05阻尼比設計的結構存在較大的抗震安全隱患。

D)對比分析結論1：有填充墻的情況下，房屋總質量也有所增加，但剛度增加幅度更大，所以頻率增減較多。該房屋填充墻明顯提高了框架結構的自振頻率，大幅度增加了結構的剛度，大幅度降低了結構的自振周期。

E)對比分析結論2：有無填充墻的振型對比表明，無填充墻框架的振型更圓滑、更飽滿。可見本工程的填充墻對結構的延性影響很大，這種影響不是單從周期折減中能夠體現的。

F)對比分析結論3：對結構計算影響較大的一階振型的阻尼比，有填充墻與無填充墻一階阻尼比的比值：橫向為1.21，縱向為1.12。即有填充墻的情況下，阻尼比有增加，結構耗能能力有所增加。

G)對比分析結論4：有無填充墻兩種情況下的阻尼比均較規范建議取值小。當結構遭遇中震和大震時，框架結構受損，填充墻會損壞，結構阻尼比會增加。但多遇地震的驗算時，結構處于彈性階段，填充墻基本不會破壞，不會影響填充墻的剛度。因此，對該類結構的彈性階段設計驗算時的阻尼比建議取值宜為2.0％～2.5％。

G)對比分析結論5：對本工程而言，根據結構實測的自振周期確定的地震影響系數在現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010圖5.1.5中0.1～T_g的平臺段，阻尼比對本工程實體結構無影響。但設計計算的自振周期確定的地震影響系數在現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011-201圖5.1.5中T_g～5T_g的陡降段，阻尼比的取值又比實測值大，實際計算的地震作用就更偏小。考慮到該工程為重點設防類，應按實測動力特性參數對該工程進行重新復核驗算。

綜合兩次測試分析結果表明，對新型結構的性能研究，動力特性測試是必需的、準確的和最直接的方法。

本發明提供的底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架結構性能測試方法，采用脈動法對底層鋼管混凝土柱的鋼筋混凝土框架的結構進行動力特性參數進行測試分析，測試結果綜合考慮了非結構構件剛度影響、質量分布、材料實際性能、施工質量等多種影響因素，沒有理論簡化的影響，測試結果準確可信。通過兩種工況的測試結果分析，對該結構的減震性能進行驗證分析，以及填充墻剛度對該結構抗震性能的影響，提出該類結構抗震性能分析的參數取值，為該類結構的推廣應用提供科學依據，為新型結構的性能研究提供一種直接、準確的測試分析方法。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。