板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)房屋住宅體系動力特性試驗研究＊

邢國起，吳俊喜

（1.濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061；2.山東鴻泰建設(shè)集團(tuán)公司，山東 壽光 262700）

板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)房屋住宅體系動力特性試驗研究＊

邢國起1，吳俊喜2

（1.濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061；2.山東鴻泰建設(shè)集團(tuán)公司，山東 壽光 262700）

通過對板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性試驗，得到結(jié)構(gòu)模型的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數(shù)，對試驗得到的參數(shù)與其理論值進(jìn)行了對比分析，為該結(jié)構(gòu)體系的后續(xù)試驗研究提供了基礎(chǔ)資料。

板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)；動力特性；自振頻率；阻尼比；振型

1 引言

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化步伐的不斷加快，特別是為了適應(yīng)建設(shè)節(jié)能省地型住宅的需求，開發(fā)結(jié)構(gòu)形式符合多種不同組合，最大限度利用有效空間的建筑尤為迫切，這項技術(shù)的開發(fā)不僅關(guān)系到住宅能源的消耗，同時涉及地球有限資源的合理利用。但目前我國住宅建筑特別是城鎮(zhèn)住宅建筑，采用的結(jié)構(gòu)形式多以傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、輔以混凝土框架結(jié)構(gòu)為主。

開發(fā)一種結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的新型住宅結(jié)構(gòu)體系是當(dāng)前住宅建筑技術(shù)領(lǐng)域的一項迫切的新課題。板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)房屋住宅體系則是解決上述結(jié)構(gòu)形式不足的一條行之有效的途徑。該結(jié)構(gòu)體系特點主要有自重輕、空間利用率高、施工速度快、抗震性好、工業(yè)化程度高等特點。本文主要通過低層（≤3層）板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性試驗，得到結(jié)構(gòu)模型的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數(shù)，研究結(jié)構(gòu)模型自振特性試驗值與理論值的差異，為后續(xù)振動臺試驗需要的試驗參數(shù)提供基礎(chǔ)資料。

2 試驗過程

2.1 試驗?zāi)Ｐ瓦x取

由于板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)體系的住宅組合形式具有多樣性，為了能真實的反應(yīng)該結(jié)構(gòu)體系的動力特性性能，試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計成1：1房屋模型。根據(jù)振動臺參數(shù)的要求，模擬單元2.4×2.4m，兩層，層高為2.65m。結(jié)構(gòu)模型平、立面圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型平、立面圖

圖2 板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)模型

2.2 試驗?zāi)Ｐ椭谱?/p>

試驗?zāi)Ｐ退貌牧弦约案鞣N構(gòu)造連接均與實際工程保持一致。鋼框架柱和梁均采用軋制寬翼緣H型鋼，HW125×125×6.59，材料均為Q235B。結(jié)構(gòu)模型外墻體系中的混凝土掛柱按600mm為安裝模數(shù)固定在模型層間梁的天地龍骨之間，天地龍骨兩端與H型鋼柱焊接連接，中部與型鋼梁焊接，規(guī)格為100 ×20×1.5mm?；炷翏熘奈灰品謩e被龍骨檐和5cm長的鍍鋅鋼管卡住。墻體外掛板掛在混凝土掛柱上，主要規(guī)格尺寸為1200×180×40mm、600×180×40mm。掛板柱內(nèi)側(cè)是發(fā)泡聚苯板，比重為16kg／m3，尺寸為1000×500×20mm。發(fā)泡聚苯板內(nèi)側(cè)是10cm厚度的礦棉板，緊貼在發(fā)泡聚苯板的背面。礦棉板內(nèi)側(cè)是3cm的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫的內(nèi)壁板。試驗結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

2.3 動力特性試驗

對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬地震振動臺試驗，測試結(jié)構(gòu)模型的抗震性能，需要知道在輸入不同等級強(qiáng)度地震波作用前后結(jié)構(gòu)模型的動力特性變化情況。結(jié)構(gòu)的固有頻率及相應(yīng)的振型雖然可以由結(jié)構(gòu)振動理論計算得到，但由于實際結(jié)構(gòu)形式和連接的復(fù)雜、材料性質(zhì)的非線性等因素，經(jīng)過簡化計算得到的理論數(shù)值往往有一定的誤差，至于阻尼系數(shù)則一般只能通過試驗來確定［1－2］。因此，采用試驗手段研究結(jié)構(gòu)的動力特性具有重要的實際意義。

2.3.1 傳感器布置

測平移振動時傳感器應(yīng)盡量布置在結(jié)構(gòu)的剛度中心，測扭轉(zhuǎn)振動時應(yīng)布置在過剛度中心連線的結(jié)構(gòu)兩側(cè)［3］。本試驗的結(jié)構(gòu)模型采用對稱布置，故只測平移振動信號。各層樓板對稱軸上靠近墻體位置布置加速度傳感器，澆筑在連接鋼板上的地梁上也布置傳感器，加速度傳感器共12個（布置如圖3）。

圖3 傳感器布置圖

2.3.2 試驗測試

測試內(nèi)容主要包括位移、速度、加速度，要求采樣時各測試方向上的拾振器朝向一致。各樣本長度相同，均為1024點，采樣頻率為1000 Hz，實際最高分析頻率為500 Hz，滿足實際采樣要求［3］。測試環(huán)境安靜，無外界振動干擾，并有多達(dá)15分鐘的記錄長度，保證了隨機(jī)數(shù)據(jù)信號有較好的統(tǒng)計精度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號有較大的波動時就取消重采。試驗采集到的脈動信號如圖4。

圖4 脈動采集信號

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 自振頻率

由于測量噪聲和激振源的影響，結(jié)構(gòu)反應(yīng)自功率譜的峰值處不一定是模態(tài)頻率，可以依據(jù)下列原則判斷結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率：①結(jié)構(gòu)反應(yīng)各測點的自功率譜峰值位于同一頻率處；②模態(tài)頻率處各測點的相干函數(shù)較大；③各測點在模態(tài)頻率處各測點具有近似同相位或反相位的特點［4］。

依據(jù)以上原則，通過對脈動試驗各測點的自功率譜與參考點的互功率譜的分析，得到X、Y兩個方向的自振頻率，如圖5與圖6所示。

根據(jù)以上脈動分析的結(jié)果，在以上四個頻率附近進(jìn)行簡諧波激振，手動調(diào)節(jié)輸入的頻率，當(dāng)?shù)侥骋活l率處時，左右微調(diào)都會使加速度時程曲線的振幅減弱，則結(jié)構(gòu)模型在此頻率簡諧波激振下產(chǎn)生了共振，此時的頻率讀數(shù)則為結(jié)構(gòu)模型的自振頻率，結(jié)構(gòu)模型兩方向簡諧波激振分析得到的自振頻率見圖7、圖8。

圖5 脈動測試X向自振頻率

圖6 脈動測試Y向自振頻率

圖7 簡諧波測試X向自振頻率

3.2 振型

當(dāng)結(jié)構(gòu)模型在簡諧波激振下產(chǎn)生共振時，對布置在各樓層相應(yīng)位置處的加速度傳感器記錄響應(yīng)信號進(jìn)行FFT變換，得到該頻率下各測點頻響函數(shù)的幅頻曲線，各測點的頻率峰值之比等于該階頻率對應(yīng)的振型在各測點處的坐標(biāo)之比，振型坐標(biāo)在各測點處的符號可由各測點間互功率譜的相位關(guān)系確定，可得到對應(yīng)于該頻率下X、Y兩方向上的振型如圖9所示。

圖8 簡諧波測試Y向自振頻率

圖9 結(jié)構(gòu)模型振型圖

3.3 阻尼比

施加簡諧波激振時，使結(jié)構(gòu)模型達(dá)到共振時關(guān)閉信號發(fā)生器，得到結(jié)構(gòu)模型在該階頻率下共振時的衰減曲線，利用衰減曲線圖可以計算得出結(jié)構(gòu)該階頻率對應(yīng)的阻尼比。由于實測得到的振動記錄圖常常有直流分量，所以在測量阻尼時采用了從峰到峰的測量方法。阻尼比D的計算公式為：

其中，ak和ak＋π分別表示第k＋n個周期和第個周期相應(yīng)的最大振幅［3］。各頻率對應(yīng)的阻尼比計算結(jié)果見表1，可以看出結(jié)構(gòu)模型的阻尼比隨著頻率的增大而減小，平移基頻的阻尼比分別為1.0397%和1.2985%，都小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》所取的建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比5%。

表1 結(jié)構(gòu)模型各頻率對應(yīng)的阻尼比

4 動力特性理論分析［5］

用SAP2000軟件建立有限元模型，由于結(jié)構(gòu)模型外墻構(gòu)造及其與主體框架連接復(fù)雜，在建模過程中采取簡化措施，對于整個外墻體認(rèn)為是對結(jié)構(gòu)主體框架的支撐，外掛板及墻體其他材料折算成荷載加在梁上。該支撐以外掛板直接鑲嵌在樓層梁間表示，由于墻體和主體非剛接，將支撐上下兩端均釋放相應(yīng)約束以達(dá)到柔性連接性質(zhì)的效果。應(yīng)用特征向量法分析得到結(jié)構(gòu)模型的前四階振型和頻率如圖10。

圖10 理論分析的前四階振型及頻率

理論計算與試驗所得的自振頻率見表2，可以看出，用試驗方法測得的結(jié)果與用SAP2000建模計算得到的數(shù)據(jù)在第一階吻合得比較好，第二階有一定的誤差，主要是結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜，外墻體簡化比較困難。由此可以認(rèn)為脈動法測結(jié)構(gòu)的高階頻率存在一定的誤差，這主要是由于脈動信號中的雜音還有儀器設(shè)備本身的振動所造成的，因此，脈動法測試結(jié)構(gòu)的自振頻率時一定要選擇合適的時間段，并要有足夠長的信號記錄。

表2 結(jié)構(gòu)模型自振頻率

5 結(jié)論

本文利用振動臺試驗輸入模擬地震源，測試板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)的脈動響應(yīng)信號，并利用工程振動反演理論分析得到了該結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型、阻尼比等動力特性參數(shù)，為板－柱－輕鋼結(jié)構(gòu)的后續(xù)振動臺試驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過運用SAP2000建模計算得到的自振頻率數(shù)據(jù)在第一階與試驗值吻合地較好，第二階則有一定的誤差。因此可以認(rèn)為運用本試驗方法得到的動力特性參數(shù)基本可行。

［1］施衛(wèi)星，王進(jìn).鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)動力特性研究［J］.地震工程與工程振動，2010，30（6）：87－91.

［2］白國良，姜維山，趙鴻鐵，等.鋼梁－鋼筋混凝上柱組合結(jié)構(gòu)廠房的動力性能實測［J］.工業(yè)建筑，1996，26（4）：33－37.

［3］周明華.土木工程結(jié)構(gòu)試驗與監(jiān)測［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2002：136－143.

［4］王寧，李振寶，閆維明.復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力特性脈動測試與分析［J］.工業(yè)建筑，2007，37（增刊）：333－336.

［5］杜國鋒，徐禮華，許成祥，等.鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)動力特性試驗與有限元分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2007，40（5）：98－102.

（責(zé)任編輯：肖恩忠）

The Experiment Study of Dynamic Characteristic for the Residential System of Plate－Column－Steel Structure

XING Guo－qi1，WU Jun－xi2
（1.Weifang University，Weifang 261061，China；2.Shandong hongtai building Group Corporation，Shouguang 262700，China）

According to the experiment of dynamic characteristic for the plate－column－steel structure，dynamic characteristic parameters，for example，naturalvibration frequency and vibration form and damping ratio，were obtained.The dynamic characteristic parameters were in contrast to theoretical value and it provide basic data for the sequent experiment study.

plate－column－steel structure，dynamic characteristics，natural vibration frequency，damping ratio，vibration form

2011－07－28

邢國起（1977－），男，山東濰坊人，濰坊學(xué)院建筑工程學(xué)院講師，碩士，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

TU352 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－4288（2011）06－0145－06