某居民楼模态测试分析
资源下载:
摘要:地铁因具有快速、便捷、流量大等一系列优点,现已成为大中城市发展公共交通的首选,但其运行中产生的巨大的振动却会对地表的建筑物的安全造成了威胁。本文利用环境随机激励,对某高层居民住宅楼模态进行了测试,得出了该楼的固有频率和模态振型,为工程技术人员设计穿越其下的地铁轨道交通提供了参考和依据。
关键词:地铁,住宅楼,固有频率,模态振型
1 引言
随着经济社会的发展, 轨道交通已成为我国大中型城市快速发展的一个领域。它具有快速、方便、高效、低消耗等诸多的优点,是大中型城市交通集约发展的一个方向[1]。地铁是位于地下的大型轨道交通工程,它在隧道内引起的振动传播距离远,影响范围广,因而地铁在给人们生活带来便捷的同时,对临近建筑物,特别是对居民楼的振动可能会是影响居民正常生活的关键问题,因此,在不能更改路线的前提下,横穿居民楼,必须采取有效的减振措施,防止因轨道横穿带来的振动和噪声影响。
模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法,是结构动态设计、减振降噪、振动控制的基础。模态参数是决定结构动力特性的主要参数,传统的试验模态分析是基于频响函数的测量展开的,但是,在许多实际工程中,激励的施加是困难的或人工激励代价高昂或对结构具有破坏性,这时,可以通过环境模态进行模态参数识别。环境激励下的模态参数识别与传统分析方法相比,具有无需实施人工激励、节省测试时间和费用、安全性好等优点[2]。
本文应用环境模态测试技术,对一栋地铁轨道要横穿其下高层居民楼进行了水平方向的模态测试,获得了该楼的模态参数。
2 试验设备
本次试验所用设备采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的INV3020C型24位智能信号采集处理分析仪、891-2型和941B型速度传感器,具体配置如下:
1)DASP V10专业版数据采集与信号处理软件
2)DASP 模态分析软件
3)INV3020C型24位智能信号采集处理分析仪 1台
4)891-2型速度传感器 20只
5)941B型速度传感器 4只
试验所用的仪器设备连接示意图,如图1所示,实物照片如图2所示。
图1 试验仪器连接示意图
图2 试验仪器实物照片
3 模态测试
3.1 试验概述
该楼为17层高的居民楼(不包括1层地下室),竣工时间为2004年,每层共4户,共用一条走廊和一个电梯间,楼层截面户型如图3所示。该居民楼为17层钢筋混凝土结构,采用900厚筏板基础,基础埋深约为地表下4米。规划的地铁轨道垂直下穿此建筑物,竖向净距约为16.5米。对于楼房结构,其垂直向的模态振型表现为楼层间的伸缩,意义不大,楼房类似于直立的悬臂结构,而悬臂结构考虑横向,一般不考虑轴向,因此在这只考虑测量模态垂直向的固有频率,不作垂直方向的模态测试。那么,此次模态测试只考虑楼房两个水平方向的弯曲和扭转模态。
图3 楼层户型图
3.2 测点分布
模态测试需要每层都进行测量,因不能入户进行测量,故可用的测量区域只有走廊区域,该区域在楼层截面中的具体位置如图3所示。走廊长约为12.6米,宽1.2米。故每层测点由初步测试方案中的三个角点位置的4个测点减少为两个角点位置的3个测点,具体位置见图4。
图4 实际测量中的每层测点分布
测量过程中,由于传感器数量、采集仪通道数等限制因素,需要分批进行测量,在这考虑分3批完成,因而,存在参考点选择问题。根据以往经验,像这类悬臂结构,其顶部自由端不是各阶模态的节点,故参考点选在顶层角点上。
此次测试使用中国地震局哈尔滨工程力学研究所生产的891-2型水平速度传感器。频率范围 0.5Hz -80Hz,适合于低频的微弱振动信号测量。
实际测量时,除去第一层,共需测量16层,每层3个测点,共48个测点位置。分批测试时,为了提高测试效率,具体分批测试步骤如下:
第1批:测量2号角点(见图5)y方向(垂直走廊)的振动速度,共有16个测点,测点分布如图5所示。其中蓝色表示参考点。
图5第一批测点分布 图6 第二批测点分布
第2批:测量2号角点x方向(平行走廊)的振动速度,共16个测点,测点分布如图6所示。其中蓝色表示参考点。
第3批:测量3号角点y方向的振动速度,此角点处共有16个测点,因此,第三批次测量全部楼层(第一层除外)y水平方向的振动速度。测点分布如图7所示。其中蓝色表示参考点。
图7 第三批测点分布
模态测试时,利用天然脉动方式,采样频率为204.8Hz,采样长度为30分钟。
3.3 模态分析
通过时域法模态分析可以确定结构的前7阶模态,包括x,y方向的弯曲模态和扭转模态。最终的分析得出的结构模态频率、阻尼和振型,模态分析结果见表1。模态振型三视图,如图8-14如示。
表1 楼房模态分析结果
阶数 | 频率(Hz) | 阻尼比 | 振型说明 |
1 | 1.152 | 2.074% | y方向第一阶弯曲模态 |
2 | 1.456 | 1.821% | x方向第一阶弯曲模态 |
3 | 1.625 | 1.947% | 第一阶扭转模态 |
4 | 5.568 | 4.161% | y方向第二阶弯曲模态 |
5 | 6.284 | 4.961% | x方向第二阶弯曲模态 |
6 | 12.626 | 2.027% | y方向第三阶弯曲模态 |
7 | 17.828 | 4.575% | y方向第四阶弯曲模态 |
图8 第一阶振型图
图9 第二阶振型图
图10 第三阶振型图
图11 第四阶振型图
图12 第五阶振型图
图13 第六阶振型图
图14 第七阶振型图
4 结论
本文利用天然脉动对居民楼进行了环境模态测试,在20Hz以下取得了很好的效果,这也说明了在此居民楼中,天然脉动的能量主要位于低频段。
参考文献
[1] 张彬,姚利锋,姚辉. 轨道交通振动和减振措施研究[A].现代振动和噪声技术[C]. 北京:航空工业出版社,2010,344-345.
[2] 李磊,应怀樵,刘杰,张占一. 基于环境试验的过街天桥模态参数识别与分析[A].现代振动和噪声技术[C]. 北京:航空工业出版社,2007,308-309.