木絲水泥板樣板房動(dòng)力特性脈動(dòng)法測(cè)試研究

陳建琪,孫 勇,李慧敏

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

木絲水泥板樣板房動(dòng)力特性脈動(dòng)法測(cè)試研究

陳建琪,孫 勇*,李慧敏

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

本文運(yùn)用脈動(dòng)法，對(duì)一木絲水泥板作為永久模板建成的2層農(nóng)村住房進(jìn)行原位測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)脈動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)傅立葉變換的頻譜分析法獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率，并利用半功率帶寬法準(zhǔn)確估算出結(jié)構(gòu)阻尼比。結(jié)果表明：木絲板房的自振頻率為1.63 Hz，剛度較普通混凝土房屋?。粰M向阻尼比為1.98%，縱向阻尼比為1.78%，橫向阻尼比較縱向大11.2%，該建筑的阻尼比較小，為普通混凝土房屋的1/4～2/3。本研究對(duì)此類(lèi)新型村鎮(zhèn)住房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能研究具有指導(dǎo)意義。

脈動(dòng)測(cè)試;木絲板房;動(dòng)力特性;頻譜分析;半功率帶寬法

隨著我國(guó)農(nóng)村房屋建設(shè)的不斷發(fā)展和農(nóng)民對(duì)居住條件要求的提高，徐學(xué)東等經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，采用木絲水泥板作為永久模板建造了環(huán)保節(jié)能農(nóng)村住房[1]。該類(lèi)住房具有造價(jià)低、材質(zhì)輕，保溫隔熱效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。水泥木絲板自問(wèn)世以來(lái)多被用作保溫、吸聲板材，雖然國(guó)際上已有發(fā)展中國(guó)家采用水泥木絲板建造經(jīng)濟(jì)適用房的案例[2]，但目前對(duì)于此類(lèi)房屋動(dòng)力特性研究較少。本文運(yùn)用脈動(dòng)法研究木絲板房動(dòng)力特性對(duì)其抗震性能研究有十分重要的意義。

脈動(dòng)法測(cè)試能夠方便快速地獲得建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，能夠較為準(zhǔn)確得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。該方法已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中[3-5]：劉紅彪等應(yīng)用脈動(dòng)法測(cè)試獲得了四川省西昌市場(chǎng)地卓越周期的分布規(guī)律；黃瑜運(yùn)用脈動(dòng)法實(shí)測(cè)研究了陜西省信息大廈的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；羅桂純等基于建筑結(jié)構(gòu)對(duì)脈動(dòng)噪聲的響應(yīng)，利用單點(diǎn)譜比法估算了鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率。

1 脈動(dòng)法測(cè)試

1.1 測(cè)試原理

以自然環(huán)境微小振動(dòng)作為結(jié)構(gòu)的輸入，通過(guò)被測(cè)試結(jié)構(gòu)的輸出數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和模態(tài)參數(shù)，叫做脈動(dòng)測(cè)試，也叫環(huán)境激勵(lì)法。建筑物可看作是一個(gè)多自由度的系統(tǒng)，其在環(huán)境激勵(lì)下的脈動(dòng)是一種各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，因地脈動(dòng)所包含的頻譜是非常豐富的，只要確定足夠長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間，就可以用單個(gè)樣本函數(shù)來(lái)描述隨機(jī)過(guò)程的所有特征，并可以明顯反映出建筑物的固有頻率和自振特性[6]。在自功率譜中，運(yùn)用經(jīng)典的半功率帶寬法進(jìn)行阻尼比識(shí)別即可滿(mǎn)足工程精度要求。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本文測(cè)試的木絲水泥板樣板房為2層建筑，建筑面積225.26 m2，屋頂局部為露臺(tái)，用于休息及晾曬，房屋結(jié)構(gòu)結(jié)合低層民房的特點(diǎn)，選擇了短肢剪力墻輕型框架。如圖1所示。

圖1 木絲水泥板樣板房1層（a）、2層（b）平面圖Fig.1 Floor 1(a)and 2(b)floor plan of wood cement panel

基于脈動(dòng)法理論，本次動(dòng)力特性測(cè)試選用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所研發(fā)的941B型超低頻測(cè)振儀，配以外接放大器、相關(guān)的時(shí)域、頻域數(shù)據(jù)處理軟件。測(cè)試前，對(duì)傳感器作歸一化處理，確保數(shù)據(jù)精度。為使拾振器僅拾取平動(dòng)信號(hào)，將測(cè)點(diǎn)布置在一層和二層的地面的剛度中心處（如圖1所示），以避免扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信號(hào)干擾。每個(gè)測(cè)點(diǎn)固定三個(gè)傳感器，一個(gè)垂直兩個(gè)水平，水平方向選擇房屋橫向與縱向。傳感器選用加速度檔，經(jīng)過(guò)試采樣，確定采樣頻率為100 Hz。每次測(cè)試時(shí)間定為15 min，一層、二層各測(cè)試3組數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

測(cè)試得到了各層剛度中心處的脈動(dòng)響應(yīng)加速度時(shí)程曲線(xiàn)，選取隨機(jī)振動(dòng)良好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為保證頻譜圖具有良好的頻率分辨率，從原始數(shù)據(jù)截取了60 s時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（如圖2所示），利用快速傅立葉變換，將采集的時(shí)域數(shù)據(jù)變換到頻域進(jìn)行分析。

圖2 木絲水泥板樣板房脈動(dòng)響應(yīng)加速度時(shí)程曲線(xiàn)Fig.2 Wood cement board room pulsating responses acceleration time history curve

2.1 傅立葉變換原理

由本文中的測(cè)試原理部分可知，采集得到的數(shù)據(jù)是響應(yīng)輸出數(shù)據(jù)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析即可獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率。傅立葉變換的過(guò)程，即求解樣本值函數(shù)，亦是進(jìn)行頻率成分分析的過(guò)程[7]。采集得到的時(shí)域數(shù)據(jù)是一個(gè)按照等時(shí)間間隔記錄的加速度幅值的序列，本次測(cè)試中采樣頻率為100 Hz，因而確定時(shí)間間隔為0.01 s。文章中處理了60 s的離散數(shù)據(jù)，共包含6000個(gè)加速度幅值數(shù)據(jù)，將其作為樣本值，樣本值與時(shí)間t的函數(shù)稱(chēng)樣本值函數(shù)，記為“（t）”。

式中，Ak，Bk為有限傅里葉系數(shù)，按照下式求解，其中N為樣本個(gè)數(shù)，本例中，N取6000，fk為頻率。

通過(guò)傅立葉譜能夠檢出結(jié)構(gòu)輸出時(shí)程信號(hào)中所含的頻率成分以及那些頻率分量的振幅大，能夠快速精確地獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率。

2.2 幅值譜分析

利用上述原理，通過(guò)快速傅立葉變化程序計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)三個(gè)方向的傅立葉幅值譜。（圖3）從中可以看出：對(duì)振動(dòng)峰值分析：結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)幅值較縱向小，房屋橫向布置的墻體較縱向多，不易產(chǎn)生過(guò)大的振幅。對(duì)振動(dòng)頻率分析：結(jié)構(gòu)橫向、縱向、豎向三個(gè)方向的自振頻率為1.62 Hz，可以看出結(jié)構(gòu)的剛度同比于相同布置形式的混凝土或砌體房屋要小。木絲材料在一定程度上改善了混凝土脆性性能，增加了結(jié)構(gòu)的韌性，且材料具有較高的強(qiáng)度[8]，在地震作用下，可產(chǎn)生較大的彈塑性變形吸收能量，利于抗震。

圖3 木絲水泥板樣板房脈動(dòng)響應(yīng)加速度幅值譜Fig.3 The acceleration amplitude spectrum of the wood cement board model house pulsating responses

2.3 獲得結(jié)構(gòu)阻尼比

阻尼比是計(jì)算結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)的一個(gè)基本參數(shù)。阻尼比無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算得到，只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或者振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)才能得到。文中采用半功率帶寬法[9]，根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)系統(tǒng)共振時(shí)的頻響曲線(xiàn)（圖4）來(lái)推算阻尼比。特別在環(huán)境激勵(lì)情況下，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的阻尼比。按照下式進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)構(gòu)基頻對(duì)應(yīng)的阻尼比（表1）。

其中：D為阻尼比，fn為系統(tǒng)共振頻率，H為共振峰幅值，f1，f2分別表示幅值為0.707 H對(duì)應(yīng)的兩頻率點(diǎn)，Δfw為半功率帶寬。

圖4 頻譜響應(yīng)圖Fig.4 Spectral response figure

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率對(duì)應(yīng)的阻尼比Table 1 The structural natural frequencies corresponding to the damping ratio

從表中可以得到，對(duì)上述三組數(shù)據(jù)取平均，木絲板房橫向阻尼比為1.98%，縱向阻尼比為1.78%，結(jié)構(gòu)橫向的阻尼比較縱向大，大11.2%。木絲板房較的阻尼比較一般混凝土結(jié)構(gòu)要小，約為普通混凝土結(jié)構(gòu)的1/4～2/3，與鋼結(jié)構(gòu)阻尼比相當(dāng)[10,11]。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮按照彈性理論設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用脈動(dòng)法測(cè)試得到了木絲板房的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)頻譜分析得到結(jié)論如下：

（1）該2層木絲板房的自振頻率為1.63 Hz，較相同布置形式的混凝土與砌體結(jié)構(gòu)小。木絲改善了混凝土材料的脆性，使得結(jié)構(gòu)整體柔韌性增強(qiáng)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)彈塑性變形消耗地震能，利于抗震；

（2）木絲板房的阻尼比較小，為一般混凝土結(jié)構(gòu)的1/4～2/3。而木絲板材具有保溫、吸聲等優(yōu)越性能，具有良好的發(fā)展前景。對(duì)于應(yīng)用木絲板作為承重結(jié)構(gòu)的房屋，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用彈性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行必要的抗震驗(yàn)算。

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Experimental Study on the Dynamic Characteristics of Sample Houses with Wood-wool Cement Boards by Pulsating Method

CHEN Jian-qi,SUN Yong*,LI Hui-min
College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shangdong Agricultural University,Tai’an271018,China

Based on the pulsating method,the structural pulsation response data was obtained by in-situ testing of a two-story rural housing constructed as a permanent template for a wood cement board.A two-story rural housing constructed as a permanent template for a wooden cement board was tested in situ,the frequency of the structure was obtained through the spectrum analysis of Fourier transform,and estimated the structural damping ratio by half power bandwidth method.The result indicates that the natural vibration frequency of wood wool board houses is 1.63 Hz.,less rigidity than normal concrete houses,the transverse damping ratio is 1.98%,the longitudinal damping ratio is 1.78%,the transverse damping ratio is 11.2%larger than the longitudinal.The damping of this building is relatively small,which is 1/4～2/3 of the ordinary concrete house.This study has guiding significance for the study of structural design and seismic performance of such new type of rural housing.

Pulsating method test;wood wool board house;dynamic characteristics;spectrum analysis;half power bandwidth method

TU311.3

A

1000-2324(2017)05-0784-04

2016-05-12

2016-05-28

基于山東傳統(tǒng)范式和現(xiàn)代建筑體系的農(nóng)村住宅建造集成技術(shù)研究與示范(2013GNC11401)

陳建琪(1991-),男,研究生,研究方向:結(jié)構(gòu)工程.E-mail:1263475532@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:sunyong@sdau.edu.cn