压力水塔振动基频的理论及试验研究

高瑞成　李顺才　耿科　胡晗

摘 要：利用TST5926E大型结构无线动态特性测试分析系统，通过环境激励法，对徐州某废弃水塔的基频进行了现场测试。由TST5926E采集器采集四个测点的垂向及横向两通道信号，经过TST5926E系统的频谱分析，得到了水塔纵向振动及横向振动的基频。

关键词：压力水塔 横向振动 纵向振动 基频 环境激励法

中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（b）-0044-04

Abstract： Using the TST5926E wireless dynamic properties test system of large-scale structure and natural excitation technique，we carried out an in-situ fundamental frequency test to a wasted water tower at Xuzhou city. Collecting two -channel signals of vertical and transverse vibration of four measure points by TST5926E collector and carrying out frequency spectrum analysis of TST5926E system， we have obtained the fundamental frequency of the longitudinal vibration and transverse vibration of the water tower.

Key Words： Hydraulic Water Tower； Transverse vibration； Longitudinal vibration； Fundamental frequency； The natural excitation technique

自20世纪60年代以来，我国兴建了大量的水塔构筑物，主要应用于工民建建筑及消防等领域，用以调节水压、储存和供给用水。水塔主要由储水箱、支承体系、基础部分和辅助设施等几部分组成[1]。水塔的塔身是支承结构，细长而且高耸，设计时主要考虑地震荷载以及水平风荷作用下的受力和稳定性[2]。水塔是市政工程的一个重要环节，其破坏不仅仅影响着邻近建筑物以及人们的生命和财产安全，还关系到每个城市抗震减灾救援功能的正常应用[3]。所以随着水塔的发展与建设，抗震减灾成为日益重要的课题之一[4]，而这一课题对于地震多发地区来说尤为重要。调查我国多次震害的情况，发现储水箱和基础部分不容易发生破坏，而破坏发生于支承部位[5]。多年来，人们研究了水塔结构的静、动力特性[6]，应用各种方法对水塔结构与震动方面进行分析。1957年，钱培风教授[7]首先提出高耸结构竖向地震成为主导作用的观点；1983年，日本学者武藤清[8]提出了将自由水、塔体和水箱分别作为一个质点的双质点体系简化模型，之后运用相关的理论进行计算分析；1996年，张鸿儒[9]使用迭代方法分析关于土结构的非线性应力应变问题，在确定性地震波作用下，研究了水塔结构分别在柔性地基和刚性地基条件作用下的地震峰值响应特性，并将其进行对比；2001年邹祖军等人基于线性理论，根据小幅度自由表面波动导出关于水的晃动力计算公式，对规范中的方法提出了修改意见[10]。研究表明，水塔塔内所支撑的水体重量在结构总重量有较大比重，在振动时水体晃动有非常明显的减震作用[11]。但总体来说，对水塔振动试验研究方面的成果不多，该论文通过理论及试验研究压力水塔的振动频率。

1 水塔横向及纵向振动固有频率的理论公式

压力水塔多位于高层建筑顶层或地势较高的山坡上，其塔身结构细而高，如图1所示，上端承受水箱的重量，一方面容易产生失稳现象；另一方面在风载作用下结构容易横向振动，塔身可以看成是一个在自由端具有附加质量的悬臂梁。当水箱装满水可忽略塔身质量时，水塔的基频可简化为：

（1）

式中：M为水箱的质量；EI为塔身的抗弯刚度；L为塔身的高度。

由于塔身内部结构的非均匀性，且水箱及塔身质量、抗弯刚度EI、质量密度ρ未知，不能精确计算其固有频率，因而下面通过现场测试来确定水塔的基频。

2 压力水塔振动基频的现场测试

2.1 试验原理及试验设备

图1为此次测试用的位于江苏师范大学云龙校区东院内的一个废弃水塔，水塔塔高25 m，沿塔内台阶一直向上走至塔身与水箱连接处的圆形平台，该平台内径为3.9 m，在此圆形平台上搭建测试设备，如图2所示。

试验设备的详细组成如图3所示。采用江苏泰斯特电子设备制造有限公司生产的TST5926E大型结构无线动态特性测试分析系统，该系统主要由多个TST5926E采集器、无线路由器、计算机、天线、同步线组成。采集器内置高灵敏度、水平和垂向的双低频速度传感器，具有完善的信号适调、电压放大、抗混滤波、数据采集功能，内嵌Linux操作系统，标配2G存储器，高速WiFi无线数据传输，传输距离远，传输质量高。每个采集器具有Z、X两个通道，分别采集结构沿垂直和水平两个方向的振动，如图4所示。TST5926系列大型结构动态特性测试分析软件是基于VC++开发平台的一款信号处理软件，包含实时采集、实时显示、实时分析、實时保存等模块，具有强大的分析、处理能力。采集器采集的信号经过无线发送及接收系统传入电脑，由TST5926E软件进行分析处理。

2.2 试验步骤

（1）在圆形平台上均匀设置四个测点，在每个测点上放置一个TST5926E双通道采集器，即每两个采集器之间的夹角为90°。

（2）在每个采集器的插孔内接入接收天线及同步线。无线路由器插孔内接入发射天线及网线，网线另一端接入笔记本电脑，在测试现场无线路由器由事先充好电的移动电源供电。

（3）按TST5926E软件操作方法设置采样频率、采样时间及测量类型等参数，检查无误后即可以采集数据。

（4）采集结束后可以离线分析信号的时域及频域特征。

3 试验结果及分析

此次测试设置采样频率为200 Hz，采样时间为200 s。图5给出了1号测点采集器采集的Z向（纵向）及X向（横向）振动加速度信号的时域及实时谱频域截图。

可知，测点1测得的Z向、X向基频分别为10.35 Hz、0.78 Hz。四个测点测得的基频及相应的谱值如表1所示，其中基频及实时谱值的单位分别为Hz、m/s2。

由表1可知：水塔Z向、X向振动的基频约为11 Hz及0.78 Hz。其中测点4在支撑柱上，与其他几个测点结构不同，带入了一部分钢管、混凝土支撑柱部分的影响，所以测出的基频有问题。

4 结语

通过理论推导得到了压力水塔简化后的横向及纵向振动基频的计算公式，并以徐州某废弃水塔为例进行了基频的现场测试。在塔顶内圆形平台处搭建了无线TST5926E大型结构动态特性测试分析系统，通过不测力法得到了该水塔的纵向及横向基频分别为11 Hz及0.78 Hz，几个测点测得的基频基本一致。由于缺少该塔的基础资料，暂时无法计算其理论基频，故文中未对基频测量值与理论值进行比较。

参考文献

[1] 朱彦鹏.特种结构[M].武汉：武汉工业大学出版社，2008.

[2] 仇保兴.地震灾后生命线工程修复加固与重建技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3] 苏瑜.钢筋混凝土水塔的抗震性能分析[D].西安：西安建筑科技大学，2011.

[4] 朱镜清.结构抗震分析原理[M].北京：地震出版社，2002.

[5] 高振世.建筑结构抗震设计[M].北京：中国建工出版社，1995.

[6] 谷胜利.进水塔结构静、动力分析研究[D].河南：河南农业大学，2000.

[7] 钱培风.烟囱在地震作用下破坏情形的若干解释[C]//北京：第一次全国抗震会议论文集.1957.

[8] 日本土木学会编.地震反应分析及实例[M].路秉杰，译.北京：地震出版社，1983.

[9] 张鸿儒，阎贵平.水塔及其地基的地震峰值响应[J].特种结构，1996，13（3）：49-52.

[10] 邹祖军.水塔的附加地震作用计算[J].特种结构，2001，18（2）：16-18.

[11] 王亞勇，张海军，赵建国.结构抗震设计时程分析法中地震波的选择[J].工程抗震，1988，3（4）：17-24.