北京工人体育场看台混凝土结构振动特性现场试验研究_王猛.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220105 第一作者:第一作者:王猛,学士,高级工程师,主要从事大型体育场馆施工技术研究,Email:13693637969 。通信作者:通信作者:卫赵斌,硕士,讲师,主要从事工程结构振动特性研究,Email:davidwdb 。北京工人体育场看台混凝土结构振动特性现场试验研究王 猛1,李 欣1,卫赵斌2,3,郭雅兴1(1 北京建工集团有限责任公司,北京 100055;2 河北省土木工程灾变控制与灾害应急重点实验室,廊坊 065201;3 华北科技学院建筑工程学院,廊坊 065201)摘要:准确把握建筑楼盖结构的动力特性是结构设计和健康监测研究的重要工作。在介绍基于运行模态分析法的结构模态参数识别方法的基础上,以北京工人体育场项目为例,采用有节奏运动人群激励对体育场直线 T 型板和弧线 T 型板进行了振动检测,采用脉动法对体育场看台混凝土结构进行了振动检测,获得了看台板及看台结构的振动加速度数据,并利用频域识别方法进行了模态参数识别。结果表明:体育场直线 T 型板、弧线 T 型板固有频率分别分布在 5.94、11.88Hz 附近,分别属于中、高频板。体育场看台结构悬挑端固有频率主要分布在 4.3 9.38Hz 之间,看台结构设计满足建筑楼盖结构振动舒适度技术标准(JGJ/T 4412019)要求。体育场高区南北向栈桥区域看台悬挑端固有频率较低,建议现场应避免长期使用频率为 4.3、2.15Hz 附近的音乐。关键词:北京工人体育场;看台混凝土结构;动力特性;动力响应;固有频率 中图分类号:TU375,X839 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0040-07引用本文 王猛,李欣,卫赵斌,等.北京工人体育场看台混凝土结构振动特性现场试验研究J.建筑结构,2023,53(6):40-46.WANG Meng,LI Xin,WEI Zhaobin,et al.Field experiment study of vibration characteristics of Beijing Workers Stadium stand concrete structureJ.Building Structure,2023,53(6):40-46.Field experiment study of vibration characteristics of Beijing Workers Stadium stand concrete structure WANG Meng1,LI Xin1,WEI Zhaobin2,3,GUO Yaxing1(1 Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2 Hebei Key Laboratory of Civil Engineering Catastrophe Control and Disaster Emergency Response,Langfang 065201,China;3 Architectural Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China)Abstract:It is important to accurately obtain the dynamic characteristics of building floor structure in structural design and health monitoring study.On the basis of introduction of structural modal parameter identification method based on operational modal analysis,the Beijing Workers Stadium project was taken as an example,the rhythmic motion crowd excitation was used for vibration test of the stadium linear T-slab and arc T-slab,and the pulsation method was used for vibration test of the concrete structure of the stadium stand,and the vibration acceleration data of the stand slab and the stand structure were obtained,and the modal parameters were identified by using the frequency domain identification method.The results show that the natural frequencies of the stadium linear T-slab and arc T-slab are distributed around 5.94 and 11.88Hz respectively,which are medium and high frequency slab.The natural frequency of the overhanging end of the stadium stand structure is mainly distributed between 4.3 9.38Hz,and the design of the stand structure meets the requirements of the Technical standard of vibration comfort of the floor structure(JGJ/T 4412019).Stadium high area north-south trestle bridge area stand overhanging end natural frequency is low,it is recommended that the site should avoid the long term use of music near the frequency of 4.3 and 2.15Hz.Keywords:Beijing Workers Stadium;stand concrete structure;dynamic characteristics;dynamic response;natural frequency0引言 结构振动模态信息是反映结构性能的重要参数,其作为结构本身的内在属性,可在其动力特性(频域与时域)上得到反应1。要获取结构的动力特性,可以采用人工激励,也可以采用环境激励。大型工程结构,对其施加人工激励使结构振动较难实现,实际中多采用风及地脉动等环境激励方式,使工程结构在运行状态下,仅仅使用其输出信息进第 53 卷 第 6 期王 猛,等.北京工人体育场看台混凝土结构振动特性现场试验研究行振动特性分析,即运行模态分析法(operational modal analysis,OMA)。环境激励方式下的振动特性识别,可分为时域识别法、频域识别法和时频域识别法三种2。时域识别法直接利用工程结构的实际振动数据进行振动特性分析与识别,可避免信号在时频域转换过程中产生的误差。但时域法对实测噪声敏感、抗噪能力差,在基于环境激励的大型工程结构检测的噪声是不可避免的。频域识别法是基于快速傅立叶变换,将振动数据信号转化到频域内进行分析与识别,物理意义明确、识别速度快,其中峰值法3(peak picking,PP)利用功率谱密度函数进行模态参数识别,该方法操作简单、计算速度快,在工程上得到了广泛应用。时频域识别法基于小波变换,对振动响应信号的时间尺度特征进行分解,可较有效地处理非平稳信号,但分析与识别效率较低。胡洁等4利用时域和频域等多种方法对某机库网架和石家庄裕彤体育中心罩棚网架两个实际工程振动参数进行识别,并与结构分析模态参数进行对比,认为在实际工程应用中,首先应选择频域识别法进行振动特性测试,在时间和内存允许的条件下,尽量选择随机子空间法进行振动参数识别。1北京工人体育场简介 北京工人体育场5地处三里屯核心商业区,周边临近使馆区,占地面积 14.7 万 m2,总建筑面积38.5 万 m2,地下 3 层,地上 6 层。地下室主要为体育配套建筑,功能为商业、停车、设备用房和生活设施等,地下室东西长 495m,南北长 438m;体育场主要功能为专业足球场,东西长 215m,南北长 280m,看台分为上、中、下、包厢四层,看台座位席总数为68 000 个,屋顶最高点标高为 47.300m。体育场屋顶采用大跨度空间钢结构壳体,屋面材料采用聚氨酯屋面和 ETFE 屋面相结合的做法。工人体育场高区看台区域安装的预制构件包括:预制看台板、预制踏步、预制栏板、预制楼梯,其中预制看台板 2 332 块,预制踏步 1 188 块,预制栏板 88 块,预制楼梯 40 块。预制看台板由每层的第一排开始安装,分区分段逐排向场外方向安装。梁支座存在高差时用薄钢板调整,板边用厚度为10mm 厚橡胶块均匀支垫在前排看台上。看台支座采用 GJZ18012020 板式橡胶支座,看台板水平缝处均布 808010 氯丁橡胶垫板作为支垫,间距不大于 1.0m。看台板通过销杆与结构梁或看台梁的灌浆孔锚固连接,板缝用密封胶封闭。为了研究工人体育场看台结构的动力特性,采用有节奏运动的人群荷载对现场足尺直线 T 型板、弧线 T 型板进行了现场振动试验,采用基于环境激励的动力检测技术对现场足尺体育场看台结构进行振动试验,看台结构动力响应试验重点选择在高区西北角死忠看台处进行测试6-8。高区西北角死忠看台位于轴A5轴A6,轴S48轴S49所围区域。现场直线 T 型板、弧线 T 型板振动试验,高区西北角死忠看台结构振动试验现场图如图 13 所示。图 1 直线 T 型板振动试验图 2 弧线 T 型板振动试验图 3 死忠看台结构振动试验2北京工人体育场看台混凝土结构运营期振动舒适度限值 工人体育场投入使用后,主要承担大型足球体育比赛赛事,观众在观看赛事时,受到现场气氛及音乐的影响与带动,会在看台板结构上进行各种有节奏的运动响应活动。本次试验采用有节奏运动人群激励对体育场直线 T 型板和弧线 T 型板进行振动检测,采用脉动法对体育场看台混凝土结构进行振动检测,以分析看台结构在工作状态下的舒适度及结构安全可靠性。根据建筑楼盖结构振动舒适度技术标准(JGJ/T 4412019),以有节奏运动为主的体育看台结构,在正常使用时楼盖的第一阶竖向自振频不宜低于 4Hz,看台结构竖向振动有效最大加速度不应大于表 1 规定的限值。表 1 竖向振动有效最大加速度限值楼盖使用类别有效最大加速度限值/(m/s2)舞厅、演出舞台、看台、室内运动场地、仅进行有氧健身操的健身房0.50 注:看台是指演唱会和体育场馆的看台,包括无固定座位和有固定座位。14建 筑 结 构2023 年3北京工人体育场看台混凝土结构振动测试基本原理 体育场看台为建筑楼盖结构,建筑楼盖结构为空间体系,建筑物体积大,振动形式复杂,对建筑结构进行全面整体振动响应测试较为困难,可选择在工作状态下对振动响应最不利的看台结构悬挑区进行测试。其自振频率的确定可以通过脉动法实测,经功率谱、功率谱密度转换,频谱分析等求得该建筑楼盖