怎么做楼房模态？_【模态空间】

在土木行业动态检测中，建筑楼房模态参数也是其中重要的一项。在这里，将对楼房模态测量分析以实例的形式进行详细介绍。...

在土木行业动态检测中，建筑楼房模态参数也是其中重要的一项。在这里，将对楼房模态测量分析以实例的形式进行详细介绍。

本文主要内容包括：

1.    楼房模态特点；

2.    楼房模态所用传感器；

3.    楼房模态测点布置；

4.    楼房模态测量方案；

5.    某楼房模态振型。

1. 楼房模态特点

由于楼房根基与大地相连，因此，可认为楼房是一个类似悬臂梁的结构，只不过自由端（楼房顶部）垂直与大地而已。故，楼房模态具有悬臂梁模态的特点，下图为悬臂梁前三阶模态振型，而只需将下面悬臂梁的模态逆时针旋转90度即为楼房的弯曲模态。

悬臂梁前三阶模态振型

由于楼房具有一定的尺寸，不是杆式结构，因此，楼房除了弯曲模态之外，还有扭转模态。

与桥梁模态相比，楼房模态测量的难度要低很多，这是因为，楼房有电梯，各楼层都很容易到达，另外，现场供电也比桥梁现场容易得多，故楼房模态测量起来要较容易些。

2. 楼房模态所用传感器

由于楼房与桥梁一样，属于大型土木结构，具有振动微弱，频率低的特点，因此，楼房模态所使用的测振传感器仍使用中国地震局哈尔滨工程力学研究所研制的941B型或891-II型速度传感器。关于这个传感器的详细说明见《怎么做大跨度斜拉桥模态？》一文。

3. 楼房模态测点布置

楼房模态测试需要每层都进行测量，而每层截面可认为是个矩形截面，每楼层截面的测点分布如下图所示，只使用4个水平传感器：每层测点布置在楼层地板上，只考虑两个水平方向，不考虑垂直方向。考虑两个方向主要是考虑两个方向的弯曲模态，每个方向使用两个水平传感器布置在最外侧，这样也能获得扭转模态。

每层测点分布示意图

上图中，1号角点只测量了长度方向（x向），而宽度方向（y向）使用3号角点这个方向的数据。2号角点完全没有测量，则长度方向使用1点角点该方向的数据，宽度方向使用4号角点的数据。4号角点长度方向使用3号角点在该方向的数据。这样一来，四个角点所有水平方向都有数据了。

在这以某17层楼房模态为例进行说明。该楼房因不能入户进行测量，故可用的测量区域只有走廊区域，走廊长约为12.6米，宽1.2米。故每层测点由三个角点位置的4个测点减少为两个角点位置的3个测点，具体位置见下图。

测量过程中，由于传感器数量、采集仪通道数等限制因素，需要分批进行测量，在这考虑分3批完成，每批可一次测量一个角点所有楼层一个方向。由于需要分批测量，因而，存在参考点选择问题。根据以往经验，像这类悬臂结构，其顶部自由端不是各阶模态的节点，故参考点选在顶层角点上。

实际测量时，除去地面第一层，共需测量16层，每层3个测点，共48个测点位置。分批测试时，为了提高测试效率，具体分批测试步骤如下：

第1批：测量2号角点y方向（宽度方向）的振动速度，共有16个测点，测点分布如下面左图所示。其中蓝色表示模态参考点。

第一批测点分布

第二批测点分布

第2批：测量2号角点x方向(长度方向)的振动速度，共16个测点，测点分布上面右图所示。在这一批测量中，此需要将之前的同一位置的传感器由y向改为x向即可。

第3批：测量3号角点y方向的振动速度，此角点处共有16个测点，因此，第三批次测量全部楼层（第一层除外）y水平方向的振动速度，测点分布如下图所示。

第三批测点分布

现场测试顶层测点照片如下图所示，由于顶层为模态参考点，除去两个方向的测点传感器之外，还需要一个模态参考点，故，共有3个传感器布置在此位置。

4. 楼房模态测量方案

在正式试验前应制定详细的现场试验方案，方案包括传感器测量位置、参考点选择、采样频率、测量时间、测量仪器、分批移动策略和人员安排等。试验前需将采集仪、传感器和导线进行编码。所有带到现场的设备（采集仪、传感器和导线）都应在出发前进行调试，以校验设备是能正常工作的。

试验参与人员应详细了解试验方案、传感器测量位置及各批次设备移动顺序和位置。测量前应将各楼层上各测量位置及对应的测点号进行标识。现场试验时，每个测点位置的传感器方向、编号、档位等信息应详细记录。

模态测试时，利用天然脉动方式，采样频率为102.4Hz，每批采样长度为30分钟。由于楼房为悬臂式结构，因此，模态参考点选择最顶层2号角点作为模态参考点。

现场测试时，由于需要分批测量，因此，需要考虑怎么布置测点才能使分批移动时效率更高。如一次不能全部测量时，应考虑间隔一层布置，这样下一批传感器移动时效率会高许多。

5. 某楼房模态振型

由于每层截面几何模型为矩形，而每层只测量了3个方向的测量数据，则在进行模态分析时，需要没有测量的角点将使用其他的测量数据，使用原则按第3小节中提到的方式进行复制。

通过时域法模态分析可以确定结构的前7阶模态，包括x，y方向的弯曲模态和扭转模态。最终分析得出的结构模态频率、阻尼和振型，分析结果如下表所示。模态振型三视图如下如示。

楼房模态分析结果