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空间网架结构的动力性能脉动法测试及分析


王加民 , 等: 空间网架结构的动力性能脉动法测试及分析

空间网架结构的动力性能脉动法测试及分析
王加民1   吴文平2   周   伟1
( 镇江市建科工程质量检测中心有限公司 ,江苏镇江  2 1. 1 2 0 0 3; ) 江苏沪宁钢机股份有限公司 ,江苏宜兴  2 2. 1 4 2 3 1 / 摘 要: 为研究某体育场网架结构 ,

利用脉动法对该结构 1 1 0 缩尺模型进行 了 动 力 特 性 测 试 。 利 用 谱 分 析 技 术 对 得出该结构的自振频率和各阶振型 。 根据实际模型 , 运用 AN 所采集的数据进行分析 , S Y S 软件建立有限元计算模 型, 得到该模型的各阶自振频率和模态的理论值 。 将试验结果与有限元分析结 果 进 行 对 比 , 结果表明: 实测结构自 振周期小于理论分析值 , 模态相似 。 关键词 : 脉动测试 ;动力性能 ;空间网架结构 : / D O I 1 0 . 1 3 2 0 6 . 2 0 1 4 0 3 0 0 1 j g j g

ME A S U R EME N T A N D A N A L Y S I S O F T H E D Y N AM I C B E H A V I O R O F S P A C E                 G R I D S T R U C T U R E  W I T H P U L S A T I O N  ME T H O D    
1 2 1 W a n J i a m i n W e n i n h o u  W e i   Wu    g p g  Z  

( , ; 1. Z h e n i a n J i a n k e T e s t i n C e n t e r f o r Q u a l i t o f B u i l d i n E n i n e e r i n C o . L t d Z h e n i a n 2 1 2 0 0 3, C h i n a         j g g y g g g j g             , , ) 2 . J i a n s u H u n i n S t e e l M e c h a n i s m C o . L t d Y i x i n 2 1 4 2 3 1 C h i n a       g g g    

/ A B S T R A C T: T h e d n a m i c o f a 1 1 0s c a l e m o d e l o f s a c e s t r u c t u r e i n o n e s t a d i u m i s t e s t e d b e r f o r m a n c e r i d                                 y p y p g o f u l s a t i l e t h e o r f o r f u r t h e r s t u d h e d a t a a r e a n a l z e d b u s i n o f s e c t r u m a n a l s i s m e t h o d.T h e m e a n s                         p y y.T y y g p y       , n a t u r a l f r e u e n c o f v i b r a t i o n a n d m o d e s o f t h e s t r u c t u r e a r e o n t h e e n i n e e r i n s t r u c t u r e f i n i t e a i n e d.B a s e d                         q y g g g     e l e m e n t c a l c u l a t i o n m o d e l i s s e t u b AN S Y S s o f t w a r e a n d i t s t h e o r e t i c a l v a l u e s o f f r e u e n c a n d m o d e a r e                             p y q y       d i f f e r e n c e b e t w e e n t e s t r e s u l t s a n d c a l c u l a t e d r e s u l t s i s t h a t t h e n a t u r a l o f v i b r a t i o n i s l e s s c a l c u l a t e d. T h e e r i o d                                 p t h a n t h e o r e t i c a l v a l u e a n d t h e m o d e s a r e s i m i l a r .               : ; ; u l s a t i l e e r f o r m a n c e K E Y  WO R D S t e s t d n a m i c s a c e r i d s t r u c t u r e         p p g y p

1  概   述 结构 的 动 力 特 性 是 指 结 构 的 自 振 周 期 、 振型和 是结构自身的基本属性之一 , 是进行抗震计算 阻尼 , 的基本参数 。 一般 情 况 下 , 结构的自振周期和振型 可以通过计算确 定 。 但 对 于 大 跨 空 间 复 杂 结 构 , 由 使 于各节点实际连接 属 性 与 理 论 分 析 不 完 全 相 同 , 得计算周期往往 小 于 实 测 周 期 。 另 外 , 结构的阻尼 目前只能通过实测得到 , 因此 , 现场实测是了解结构 也为进一步研究结构抗震性 动力特性的基本途 径 , 能提供了较为准确的依据 。 目前 , 我国对于建设工程动力特性实测多为多 高层建筑
[ ] 1 -4

2 , 建筑面积 1 设 有 固 定 座 位 6 万 个, 总用 3 . 5 8万 m

。 钢量达 1 . 8 万t 该体 育 场 空 间 结 构 复 杂 , 采用内设张拉膜的钢 钢屋盖采 用 马 鞍 形 单 层 折 面 空 间 网 格 结 屋盖体系 , 构, 钢结构最高点标高5 最大悬挑6 1 . 3 m, 8 . 4 m。 众多的三角形网格围绕一个曲面折上折下或折左折 右, 呈现空间折面相连的规律 , 三角形网格的边均是 单一构件 , 而不是 具 有 上 、 下 弦 的 桁 架 或 钢 架, 因此 称之为单层折面空间网格结构 。 该大型网架具有整体刚度和质量分布不均匀的 特点 ; 同时由于此网架的跨度很大 , 网架的整体刚度 较小 , 结构的动力特性很复杂 , 为进一步分析该结构 在地震作用下的实 际 反 应 , 在体育场主体结构开工 / 由江苏沪宁钢机股份有限 公 司 制 作 了 一 个 1 前, 1 0 的缩尺模型 , 对该结构模型进行有限元分析 , 在此基 础上 , 对该模型 进 行 动 力 特 性 测 试 。 缩 尺 结 构 模 型 和有限元分析模型分别如图 1、 图 2 所示 。

、 桥梁结构

[ 5]

等。相 对 而 言, 我国对空

间网架结构的动力 特 性 实 测 数 据 较 少 。 文 献 [ 对 6] 首都机场四机位机库网架结构的动力特性进行了实 并与理论计 算 结 果 进 行 比 较 。 本 文 采 用 脉 动 法 测, / 对深圳大运中心 主 体 育 场 1 1 0缩尺模型的动力特 , 性进行了现场实测 并 将 现 场 实 测 结 果 与 有 限 元 计 算结果进行对比 。 2  工程概况 深圳大运中心主体育场主体为空间网架结构,
) ,V S t e e l C o n s t r u c t i o n . 2 0 1 4( 3 o l . 2 9,N o . 1 8 3  

第一作者 : 王加民 , 男, 高级工程师 。 1 9 6 6 年出生 , : E m a i l 9 3 2 3 6 2 0 9@q . c o m q 收稿日期 : 2 0 1 4 -0 1 -2 4



科 研 开发

。 4 和 7 为例 )

/ 图 1 1 1 0 缩尺结构模型

图 3  测点平面布置

图 2  有限元分析模型

3  动力特性实测 3 . 1  测试 原 理及 方 法 结构动力特性试验的方法主要有人工激振法和 环境随机振动法 。 比 较 而 言 , 环境随机振动法的优 点在于不需要人工激振 , 对于大型试验结构及模型 ,
] 7 -9 。 目前主要采用此种方法测量结构的动力特性 [

在脉 动 源 作 用 下 结 构 产 生 振 动 响 应 , 从建筑物 各测点所测得的速 度 反 应 时 程 , 经积分变换得到位 移反应时程 , 再经傅里叶变换得到位移谱 , 即可确定 结构的阻尼比采 结构的前若干阶振 动 频 率 和 振 型 , 用半功率法得到 。 / DH 测量仪器及主要 技 术 指 标 有 : 9 4 1 B 6 1 0型 电磁式传 感 器 、 9 4 1 型 放 大 器 和I NV 3 0 6振动信号 数据分析系统选用 D 采集仪 , A S P 软件 。 3 . 2  测 点布置 及数据 记录 经过 有 限 元 模 态 分 析 , 得出结构各阶振型振动 较大的点 , 用以布置测点 。 同时 , 根据前 5 阶振型的 特点 , 兼顾测试仪器通道数量 , 采用分批测量和综合 ) 。 同时 , 分析的方案 ( 图3 在试验模型中柱支座上布 置加速度计 , 以测量地面脉动信号 。 加速度计测量频 , 。 率为 1 振动信号采集取样频率为 1 1 0 0H z 0 0H z ~ 4  动力特性分析与理论分析 4 . 1  结构振动频率和 阻尼 比 利用 D A S P 软件对各 测 点 进 行 自 功 率 谱 分 析 , 得到各测点的自功率谱分析图 , 如图 4 所示 ( 以测点 2
振型 1   2   3   4  

a - 测点 4; b- 测点 7 图 4  测点 4 和测点 7 自功率谱分析

在图4中, 两测点的自功率谱基本相同, 图 4 中曲 线峰值所对应的频率即为结构的自振频率 , 如此对其 他各点进行谱分析, 可得到结构各阶振型的频率。 运用 A 根据确定的试验 N S Y S 有限元分析软件, 模型进行建模分析, 定义主要构件刚接、 次构件与主构 件铰接, 建立模型进行动力分析。 计算中没有考虑实 际模型加工时主结构节点焊接球对结构动力特性的影 响, 仅分析得到试验模型在自身质量和刚度下的前 4 。 阶振型及频率。测试结果及理论分析结果见表1
表 1  结构前 4 阶振型振动频率
实测频率 7 . 1 2   7 . 9 1   9 . 4 3   1 0 . 4 5   9 . 2 1 2 1 0 . 1 2 0 1 0 . 3 3 7 1 0 . 9 4 0

H z

有限元计算频率

4 . 2  结构振型 选取其 中 测 点 4 和 测 点 7 进 行 互 谱 分 析 , 如图 测点4和测点7在前3阶振型的相干系数 5 所示 ,
钢结构  2 0 1 4 年第 3 期 第 2 9 卷总第 1 8 3期 

王加民 , 等: 空间网架结构的动力性能脉动法测试及分析

接近 1, 两点相关性高 , 且在第 1 振 型 测 点 4 和 测 点 而在第2振型测点4和测点7反相 7 同相 位 振 动 , 位振动 , 这与有限元计算结果相同 。
振型 1 2 3

表 2  各阶振型模态对比
互谱相频分析 测点 4 与测点 7 同相位 测点 4 与测点 7 反相位 有限元计算模态 两长轴同相位的 振动 两长轴反相位的 振动 测点 3 与 测 点 5 反 相 位 , 两长轴反相位的 测点 6 与测点 8 反相位 ; 测点 3 与 测 点 6 同 相 位 , 测点 5 与测点 8 同相位 4 测点 3 与 测 点 5 反 相 位 , 两长轴同相位的 测点 6 与测点 8 反相位 ; 测点 3 与 测 点 6 反 相 位 , 测点 5 与测点 8 反相位 二阶振动 结果相同 二阶振动 结果相同 结果相同 对比 结果相同

5  结   语 )结构实测自振频率小于理论计算结果 , 分析 1 主要原因 是 模 型 主 结 构 节 点 的 连 接 达 不 到 完 全 刚 接, 与有限元计算结果相比 , 频率有所降低 。 )结构实测 振 型 与 有 限 元 模 态 分 析 结 果 基 本 2 相同 , 两种方法相互验证 , 表明采用环境随机激励实 测量空间网架结构模态的方法是可行的 。 )结构实测 数 据 的 偏 差 主 要 来 源 于 测 试 过 程 3 中的干扰 , 各种干扰 信 号 在 数 据 处 理 时 虽 经 一 定 的
a - 互谱幅值 ; b- 互谱相位 ; c - 相干系数 图 5  测点 4 与测点 7 互谱分析

滤波处理 , 但仍难免有干扰信号存在 。 )对于较为复杂的结构类型 , 要想获得满意的 4 试验数据 , 离不开 周 密 详 细 的 准 备 工 作 , 包 括: 试验 前建立有限元模型及动 、 静力分析 , 传感器位置的合 数据处理软件的选择等 。 理确定 ,
参考文献
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有限元计算得到的结构振型如图 6 所示 。 脉动 结构 各 阶 振 型 模 态 与 有 限 元 计 算 结 测试结果显示 , 果一致 , 各振型模态如表 2 所示 。

a - 第 1 振型 ; b- 第 2 振型 ; c - 第 3 振型 ; d - 第 4 振型 图 6  结构前 4 阶振型 ( 有限元计算 ) a   MP

) ,V S t e e l C o n s t r u c t i o n . 2 0 1 4( 3 o l . 2 9,N o . 1 8 3  




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