块状基础动态参数分析
建筑工程所 万叶青 杨先健 张伟欣
摘要 对于动力机器基础和地基土体系可以按集总质量的方法来简化,即可以视
其为质弹阻体系的力学模型.再由振动理论就可以得到该体系的频响函数.结合 现场实体基础振动试验测试的结果,把幅频响应函数中的质量,刚度,阻尼比和 固有频率等作为未知量,根据最小二乘加权逼近原理来识别系统中的动态参数. 这种幅频响应加权最优参数识别技术与双峰法和多项式拟合法相比较, 振动响应 分析结果更为准确,用幅频响应参数识别法计算出来的残余误差最小,是计算分 析的最佳参数.其中获取的动态参数与实际结构有明确的对应关系,便于工程应 用.
关键词 地基基础,频响函数,固有频率,阻尼比,参数识别
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概述 在工业厂房和民用建筑中,动力机器基础的振动问题是人们长期以来非常关
注的问题.它直接与起居的舒适和结构的安全有关.解决这个问题的方法,除了 减少设备自身的振动能量外,地基基础的设计也是一个非常重要的一个因素.一 些国家已经投入了人力物力来研究动力机器基础振动特性, 为设计更合理的地基 基础积累资料. 当人们进行地基基础动力分析时,都需要根据集总质量方法假设出机器-基 础-地基土的力学模型,然后再根据这样的模型建立运动微分方程.从数学描述 的角度来看,运动微分方程中系数的确定通常会有一些不同的方法,诸如弹性半 空间理论或者质-弹-阻模型的方法等.弹性半空间理论的基础是弹性和波动理 论,有比较严密和完整的理论依据.而所谓的质弹阻方法主要是以现场振动测试 数据来确定相关参数,这类的方法比较接近实际,应用也较为广泛. 按照质-弹-阻模型分析,其关键是振动数据的处理,这就涉及到基础和地基 系统的动力参数的辨识.对于一般振动分析常见的方法有[1]:伯德图法(共振 法) ,奈奎斯特圆拟合法(矢量法) ,半功率带宽法和指数衰减法等.在这些方法 中,有些要求数据信息较多,有的只适用于阻尼比较小(ζ≤0.2)的场合,由
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于振动测试受到场地条件和土特性的限制, 所以它们都不适用于地基基础的动力 分析. 印度班加罗尔大学的 B.M. Basavanna 教授和 M. S. Nagakumar,1991 年在 Prakash 的实验数据基础上,提出了一种计算地基动态参数的多项式拟合的方法 [2].早在 20 世纪 70 年代,而我国组织编制《动力机器基础设计规范》 ,当时叶 鹤秀根据动力机器基础地基振动体系的频响函数(即阻抗函数)提出了阻尼计算 的双峰法[4],当时受到人们认识上的限制,双峰法没有正式公开和应用.最近 几年吴邦达结合振动试验,把双峰法应用到了工程当中. 这两种方法计算固有频率和阻尼比较为准确,而对于质量和作用力,只能是 一个估计值,有时会与实际情况有一定差距.为此,在这里提出一种根据质-弹阻力学模型建立的幅频响应函数,对实测数据加权处理,再运用优化分析方法, 从而获得频响函数中的各个系统的最佳参数. 这些参数基本上可以和具体实际对 象一一对应,比如,质量,刚度,阻尼比和作用力等.这样处理便于工程应用, 可以直接指导结构设计. 本文以块状基础垂直振动为例,提出幅频响应参数加权识别方法,并用于分 析在实测数据中应用.同时还与双峰法和多项式拟合法作了比较. 2 振动测试 地基动力特性参数测试是机器基础振动和隔振设计, 以及振动响应分析所必 需的资料.一般是在现场条件下,按照基础大小的比例关系选取合适的试块.根 据测试规范[3]的规定,测试时,采用的混凝土块状基础尺寸一般为 1.0 米~4.0 米.振动传感器安装的位置应该在基础的上表面. 激振方法可采用稳态周期强迫振动.通常的激振设备有机械式和电磁式两 种. 机械式激振设备工作转速一般为 180~3600 转/分.由偏心质量在不同转速下 的离心力产生振动激励.其作用力的大小为: me r ω .由于振动作用力的大小
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随着激振器转速的变化而变化. 如果采用机械式激振设备所做振源的试验叫做变 扰力试验,测试方法示意图见图 1 所示. 电磁式激振设备扰力一般不小于 600N.这种激振设备的作用力可以控制,可 以保持保持不变.所以,采用电磁式激振设备来激励的振动试验一般叫做常扰力
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试验,或者叫定扰力试验,测试方法示意图见图 2 所示.
图 1 变扰力试验 3 分析方法
图 2 常扰力试验
不论是集总质量方法还是质弹阻模型方法,都是将块状基础考虑为下图所示 的单自由度力学模型[4~6].
图 3 力学模型 由此就能够方便的建立起地基--基础体系的运动微分方程:

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