古建筑飞云楼动力性能分析水动力性能

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古建筑飞云楼动力性能分析

古建筑飞云楼动力性能分析飞云楼作为保存较完整的纯木古建筑距今已有500多年历史，已列入全国重点文物养护对象。如今飞云楼布局损伤较严重，因应力集中引起梁柱构件开裂，木质腐朽引起龟裂，榫卯节点松动等。据对飞云楼布局现场调研及模范［1］第4．1．4条，该楼稳当度评估为三类。目前，杨庆山等［2－3］对山西应县木塔的动力特性举行分析。杨娜等［4］分析人群荷载下布达拉宫的动力特性。方东对等［5］对西安北门箭楼修复中、修复后的动力性能举行研究。陈对等［6－8］对西安大、小雁塔及钟楼举行动力性能分析。飞云楼作为典型的木构建筑具有显著特点，即①各明层屋盖或屋檐顶部在四个方向分布四个十字歇山，使该楼布局立面分外丰富;②楼檐下柱端用斗拱连接，该斗拱较大，外观宏伟。斗拱又称铺作，为柱顶上小方木一组拱形短木组成的嵌套构件，具有布局、装饰双重作用;③梁柱及构件通过榫卯连接，榫卯形态各异，种类繁多，为关键片面。

1测试方案环境鼓舞下布局模态参数识别技术［9］具有对布局无损伤、不影响布局正常使用、测试费用低廉等优势广泛应用。

故利用环境鼓舞下飞云楼的动力回响特性举行加速度响应测试。

1．1布局分析飞云楼建筑外观构造极其繁杂，层与层间划分不明显，见图2。从布局内部主体剖分图看出，骨架主要由竖向支撑柱、水平板及质量较大的屋檐屋盖组成，二层与三层中间含一暗层。较暗层屋檐相比，二、三层顶突出的屋檐更大，且屋檐下大斗拱密布，明层屋檐平面整体质量远大于暗层;而构造上，暗层与明层主要由榫卯节点连接，明层柱与屋檐主要由斗拱连接。斗拱主要承载竖向构件，抗侧力刚度较弱，而此处布局发生水平侧向振动响应更显著。考虑测量布局水平振动响应，将布局暗层并入明层视为整体一层较合理。结构三层顶部有连续分布的两层屋檐，与下部布局层相比二者竖向距离较小，可视为整体屋盖布局。测试时该楼二层明层与暗层作为其次层，三层明层与暗层作为第三层，楼布局最终简化为具有三个水平自由度的平动体系。

1．2测试方案测点布设于每层四个角柱，每个角柱分别布置东西向、南北向传感器各1个(图2)，每个测试层布置8个传感器，3层共获得24个测点加速度信号数据。现场试验设备见图3。采用KD1300电荷加速度传感器、KD5008放大器、数据采集仪INV3060A，结合现场实测及文献［10］设置采集参数，见表1。

2数据预处理由于采集的数据受外界随机信号干扰，使采集信号波形图显示有较大范围毛刺及偏离基线现象，为提高采集数据信噪比举行去漂移、平滑及滤波预处理［11］，见表2。采集信号的波形及功率谱见图4、图5，信号预处理的波形及功率谱见图6、图7。由图4、图5可知，初始采集信号加速度突出尖峰较多且幅值较大，其功率谱密度图峰值多现于较大频率处，楼体因木材腐朽严重引起构件连接较弱，故其布局频率应在低频范围，故滤去高频噪声信号。图6的时域波形显示信号基线回到原点;而由图7看出，信号峰值展现在低频处，能较好反映布局的自身动力特性，信号预处理后信噪比得到明显改善。

3飞云楼动力性能分析随机子空间法(StochasticSubspaceIdentification，SSI)［12－13］为基于统计概率意义的多维数据模态分析方法，具有同时处理多维数据特点，但实际中所得数据较难满足白噪声假定，故所得结果精度不高。为进一步改善模态识别方法的局限性，杨佑发等［14］利用不同识别法优缺点提出提升的模态识别法;本文利用随机减量法(ＲandomDecrementTechnique，ＲDT)［15］结合随机子空间法对飞云楼动力性能参数举行识别。

3．1基于随机减量技术的随机子空间法识别技术随机减量法只对外鼓舞有定性(白噪声假定)要求，即使外界不得志白噪声鼓舞条件，随机减量法也能较好消释非平稳噪声，经随机减量技术处理的信号信噪比得到较大提高。

3．2飞云楼模态识别本文对基于随机减量技术的随机子空间法用MATLAB语言设计程序，对飞云楼数据举行模态识别。并选自然鼓舞(NaturalExcitationTechnique，NExT)［16］结合ITD(IbrahimTimeDomain)法［17］举行比较，结果见表3。

由表3看出，飞云楼两平动方向前三阶频率分布于1．32～6．72Hz内，与同尺度混凝土或钢布局相比其第一阶频率较低，理由为木构件通过榫卯连接，施工工艺及外界环境变形导致榫、卯之间产生较多缝隙，少片面甚至为单纯搭接。与单个木构件相比榫卯连接弱化会使布局整体刚度变弱;另外可能与飞云楼大质量斗拱节点抗侧刚度弱有关。两方向对应的前三阶平动频率分外接近，说明飞云楼南北向与东西向刚度特性较一致;与平动相比，楼的前三阶扭转自振频率分别为1．21Hz，1．81Hz，3．38Hz，低于前三阶对应的平动频率。而上下层联接大片面源于斗拱构件，较其它节点，斗拱节点底座相当于平放在柱顶部，抗扭刚度较弱，因此飞云楼扭转刚度弱于平动刚度。

4结论(1)基于随机减量技术的随机子空间法能有效消释信号数据噪声影响，较单一随机子空间法更能提高识别精度;对飞云楼的动力模态分析结果可为该古建筑承受动力荷载保护供给参考依据。(2)飞云楼的布局刚度特性较弱、自振频率较低，扭转刚度弱于平动刚度，在动