附加隔震支座预制钢梯的动力特性测试

常璐平 高洪健 屠念浔

【摘 要】利用激励荷载作用下的动力特性测试技术，对理论计算相对困难的实体模型进行测试。在测定首阶自振频率满足舒适度要求，基于半功率点法对该结构的阻尼比进行简单分析的前提下，对不同激励方式进行探讨，结果表明随机激励比等间隔激励方式结果更加理想。

【关键词】隔震楼梯 动力特性测试 结构基频

0引言

实际工程中由于设计者只关注结构的承载能力设计，忽略对有外界激励荷载较多的如桥梁和较大跨度楼梯等结构中发生人-结构共振的现象，危害结构的安全性和耐久性。刚度较差的结构，规范CJJ69-5给出了舒适度标准，人行天桥的竖向自振频率不小于3Hz。竖向自振频率1-5Hz时，竖向振动加速度小于等于0.043g。近年来，动态测试技术广泛应用于建筑领域，尤其高层建筑和桥梁工程，利用脉动测试技术可获得精确度较高的结构模态参数，对以后结构体系的改造加固积累了重要的数据。

本文基于预制楼梯结构建模复杂难以分析的情况下，对较大跨度并且附加隔震支座的钢梯进行明确激励方式作用下的结构基频的测定，以利于进一步施工。

1 工程简介

河北工业大学图书馆3层及4层间细腰部位端楼板之间的预制钢楼梯（Q345）经ANSYS建模如图1.1所示，钢梁上端与边梁中预埋件连接并现浇成整体，下端采用两隔震支座与箱形梯梁焊接。由于楼梯跨度达17.3m，对其进行有限元建模分析时，网格划分比较困难，一般计算机的配置难以满足计算需求，故对该楼梯进行动力特性测试。

图 1.1 钢楼梯ANSYS几何模型

人行激励频率范围步行情况下为1.6-2.4Hz，跑步2.0-3.5Hz，弹跳1.8-3.4Hz，静止时身体摆动为0.4-0.7Hz。由于结构阻尼的存在，只有当人行荷載的激励频率与结构的自振频率较为接近并且激励能量足够的情况下，共振才有可能发生。

该工程钢楼梯两边箱形梯梁宽0.25m，中间踏步及平台板宽1.3m。由于其空间的局限性，行人密度较大且将下意识的保持同步，同步的可能性较大，所以有必要对其自振频率进行测定。

2 试验设备及参数设定

2.1 力锤

试验选用IH-05型（2KN）力锤，锤帽分为橡胶、硬塑和钢几种材质，选用橡胶锤头进行单次敲击，频段内的力谱曲线分布平缓，故选用该锤头即满足需求。

2.2 传感器及采集仪

试验采用压电式加速度传感器，频率范围为0.5-5000Hz，最大横向灵敏度比<5%，最大允许加速度1000m·s-2，由于试验所用力锤激励能量较小，故采用该加速度传感器满足工程需求。采用TST5912两通道动态信号分析系统，通道1与力锤连接，通道2连接加速度传感器。

2.3 测点布置

由于力锤激励能量较小并且通道数少，本次试验为进行楼梯的模态识别。在测量楼梯的自振频率时，采用单点激励、单点拾振的方法，测点布置如图1.1所示。

3 试验结果分析

3.1 一测点分析

在1点进行测试时，传感器布置在钢梯第一个平台板位置，在平台板上进行敲击。为了避免平台板的自振频率与整体结构的自振频率相混淆，首先对平台板进行ANSYS建模分析，得出平台板的第一阶自振频率为173.46Hz，其一阶振型如图3.1所示。为模拟单人行走，激励方式为等时间间隔（1.5s左右）的脉冲激励。设置采样频率为100Hz，根据采样定理，分析频率在40H左右，在频段范围内，避免平台板自身基频的干扰。采集数据经过多次平滑后，其响应信号的自谱及激励与响应的频响函数分别见图3.2-3.3所示。

图3.1 平台板首阶振型图

图3.2 测点1响应信号自功率谱密度函数

图3.3 测点1激励与响应信号的频响函数复制曲线

根据图3.2，响应信号的自谱中出现两个较高峰值，为f=0.68Hz及f=6.45Hz，说明该信号在两频点处功率值较高，根据图3.3，频响函数在分析频率范围内存在f=6.45Hz处一个峰值。

3.2 二测点分析

在2点进行测试时，传感器布置在钢梯第二个平台板位置，在平台板旁第一个踏步板上进行敲击。为模拟多人行走时对钢梯造成的激励，激励方式为时间间隔不等的随机脉冲激励，激励力的时间变化曲线如图3.4所示。

图3.4 激励力-时间变化曲线

采集数据经多次平滑，其响应信号的自功率谱密度函数曲线见图3.5所示。

图3.5 测点2响应信号自功率谱密度函数

由图3.5可见，自谱中在f=6.45 Hz处存在一处峰值，相比于测点1分析结果中的图3.2信号的自谱曲线在f=0.68Hz处的峰值消失，说明激励方式的不同会对响应信号造成的影响。据图3.2、3.3及3.5，确定该预制钢楼梯的基频问6.45Hz。

4结果分析

结合上述实验，可以表明

1.该预制钢结构附加隔震支座后满足舒适度要求，由于测试阶段预制楼梯表层的木板及扶手等附加质量未安装就位，势必导致结构基频的降低，因此仍需对后期的结构进行进一步测试；

2. 激励方式的不同会对响应信号造成的影响，采用随机脉冲比等时间间隔的脉冲激励方式获得的识别结果更加精确，频谱更加平缓。

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