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

（１．镇江市建科工程质量检测中心有限公司，江苏镇江　２１２００３；

２．江苏沪宁钢机股份有限公司，江苏宜兴　２１４２３１

）摘　要：为研究某体育场网架结构，利用脉动法对该结构１／１０缩尺模型进行了动力特性测试。利用谱分析技术对所采集的数据进行分析，得出该结构的自振频率和各阶振型。根据实际模型，运用ＡＮＳＹＳ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ＤＯＩ：１０．１３２０６／ｊ．ｇｊｇ

２０１４０３００１ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ＡＮＡＬＹＳＩＳ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＤＹＮＡＭＩＣ　ＢＥＨＡＶＩＯＲ　ＯＦ　

ＳＰＡＣＥＧＲＩＤ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＷＩＴＨ　

ＰＵＬＳＡＴＩＯＮ　ＭＥＴＨＯＤＷａｎｇ　

Ｊｉａｍｉｎ１　Ｗｕ　Ｗｅｎｐｉｎｇ２　Ｚｈｏｕ　Ｗｅｉ　１

（１．Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　Ｊｉａｎｋｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　

２１２００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｈｕｎｉｎｇ　Ｓｔｅｅｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｙｉｘｉｎｇ　

２１４２３１，Ｃｈｉｎａ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　１／１０ｓｃａｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｇｒｉｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｏｎｅ　ｓｔａｄｉｕｍ　ｉｓ　ｔｅｓｔｅｄ　ｂｙｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｐｕｌｓａｔｉｌｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　

ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎａｔｕｒａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｇａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｍｏｄｅ　ａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｌｅｓｓｔｈａｎ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｓ　ａｒｅ　

ｓｉｍｉｌａｒ．ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：ｐｕｌｓａｔｉｌｅ　ｔｅｓｔ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｓｐ

ａｃｅ　ｇｒｉｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ第一作者：王加民，男，１９６６年出生，高级工程师。Ｅｍａｉｌ：９３２３６２０９＠ｑｑ

．ｃｏｍ收稿日期：２０１４－０１－２４

１　概　述

结构的动力特性是指结构的自振周期、振型和阻尼，

是结构自身的基本属性之一，是进行抗震计算的基本参数。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，由于各节点实际连接属性与理论分析不完全相同，使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动力特性的基本途径，也为进一步研究结构抗震性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］、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［６］对首都机场四机位机库网架结构的动力特性进行了实测，

并与理论计算结果进行比较。本文采用脉动法对深圳大运中心主体育场１／１０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，

建筑面积１３．５８万ｍ

２

，设有固定座位６万个，总用钢量达１．８万ｔ

。该体育场空间结构复杂，采用内设张拉膜的钢屋盖体系，

钢屋盖采用马鞍形单层折面空间网格结构，钢结构最高点标高５１．３ｍ，最大悬挑６８．４ｍ。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前，由江苏沪宁钢机股份有限公司制作了一个１／１０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。

王加民，等：空间网架结构的动力性能脉动法测试及分析

图１　１／１０缩尺结构模型

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，目前主要采用此种方法测量结构的动力特性［７－９］。

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，即可确定结构的前若干阶振动频率和振型，结构的阻尼比采用半功率法得到。

测量仪器及主要技术指标有：９４１Ｂ／ＤＨ６１０型电磁式传感器、９４１型放大器和ＩＮＶ３０６振动信号采集仪，数据分析系统选用ＤＡＳＰ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分析的方案（图３）。同时，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１～１００Ｈｚ，振动信号采集取样频率为１００Ｈｚ。

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ＤＡＳＰ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４和７为例）。

图３　测点平面布置

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ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，根据确定的试验模型进行建模分析，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Ｈｚ振型实测频率有限元计算频率

１　７．１２　９．２１２

２　７．９１　１０．１２０

３　９．４３　１０．３３７

４　１０．４５　１０．９４０

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５所示，测点４和测点７在前３阶振型的相干系数

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