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力特性脈動法測試研究

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

本文運用脈動法，對一木絲水泥板作為永久模板建成的2層農(nóng)村住房進行原位測試，得到結(jié)構(gòu)脈動響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過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小；橫向阻尼比為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。本研究對此類新型村鎮(zhèn)住房的結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震性能研究具有指導(dǎo)意義。

脈動測試;木絲板房;動力特性;頻譜分析;半功率帶寬法

隨著我國農(nóng)村房屋建設(shè)的不斷發(fā)展和農(nóng)民對居住條件要求的提高，徐學(xué)東等經(jīng)過試驗研究，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]。該類住房具有造價低、材質(zhì)輕，保溫隔熱效果好等諸多優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。水泥木絲板自問世以來多被用作保溫、吸聲板材，雖然國際上已有發(fā)展中國家采用水泥木絲板建造經(jīng)濟適用房的案例[2]，但目前對于此類房屋動力特性研究較少。本文運用脈動法研究木絲板房動力特性對其抗震性能研究有十分重要的意義。

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

1 脈動法測試

1.1 測試原理

以自然環(huán)境微小振動作為結(jié)構(gòu)的輸入，通過被測試結(jié)構(gòu)的輸出數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)動力特性和模態(tài)參數(shù)，叫做脈動測試，也叫環(huán)境激勵法。建筑物可看作是一個多自由度的系統(tǒng)，其在環(huán)境激勵下的脈動是一種各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程，因地脈動所包含的頻譜是非常豐富的，只要確定足夠長的測試時間，就可以用單個樣本函數(shù)來描述隨機過程的所有特征，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，運用經(jīng)典的半功率帶寬法進行阻尼比識別即可滿足工程精度要求。

1.2 現(xiàn)場測試

本文測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，用于休息及晾曬，房屋結(jié)構(gòu)結(jié)合低層民房的特點，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

基于脈動法理論，本次動力特性測試選用中國地震局工程力學(xué)研究所研發(fā)的941B型超低頻測振儀，配以外接放大器、相關(guān)的時域、頻域數(shù)據(jù)處理軟件。測試前，對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信號，將測點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)振動信號干擾。每個測點固定三個傳感器，一個垂直兩個水平，水平方向選擇房屋橫向與縱向。傳感器選用加速度檔，經(jīng)過試采樣，確定采樣頻率為100 Hz。每次測試時間定為15 min，一層、二層各測試3組數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

測試得到了各層剛度中心處的脈動響應(yīng)加速度時程曲線，選取隨機振動良好的數(shù)據(jù)進行分析。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時程數(shù)據(jù)進行分析（如圖2所示），利用快速傅立葉變換，將采集的時域數(shù)據(jù)變換到頻域進行分析。

圖2 木絲水泥板樣板房脈動響應(yīng)加速度時程曲線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)，對輸出數(shù)據(jù)進行頻譜分析即可獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率。傅立葉變換的過程，即求解樣本值函數(shù)，亦是進行頻率成分分析的過程[7]。采集得到的時域數(shù)據(jù)是一個按照等時間間隔記錄的加速度幅值的序列，本次測試中采樣頻率為100 Hz，因而確定時間間隔為0.01 s。文章中處理了60 s的離散數(shù)據(jù)，共包含6000個加速度幅值數(shù)據(jù)，將其作為樣本值，樣本值與時間t的函數(shù)稱樣本值函數(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為樣本個數(shù)，本例中，N取6000，fk為頻率。

通過傅立葉譜能夠檢出結(jié)構(gòu)輸出時程信號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，通過快速傅立葉變化程序計算得到了結(jié)構(gòu)三個方向的傅立葉幅值譜。（圖3）從中可以看出：對振動峰值分析：結(jié)構(gòu)的橫向振動幅值較縱向小，房屋橫向布置的墻體較縱向多，不易產(chǎn)生過大的振幅。對振動頻率分析：結(jié)構(gòu)橫向、縱向、豎向三個方向的自振頻率為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

阻尼比是計算結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時的一個基本參數(shù)。阻尼比無法通過理論計算得到，只有通過現(xiàn)場實測或者振動臺試驗才能得到。文中采用半功率帶寬法[9]，根據(jù)簡諧振動系統(tǒng)共振時的頻響曲線（圖4）來推算阻尼比。特別在環(huán)境激勵情況下，被廣泛應(yīng)用于測量結(jié)構(gòu)的阻尼比。按照下式進行計算得到結(jié)構(gòu)基頻對應(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對應(yīng)的兩頻率點，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[10,11]。因此在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮按照彈性理論設(shè)計。

3 結(jié)論

本文運用脈動法測試得到了木絲板房的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過頻譜分析得到結(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，在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠通過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。對于應(yīng)用木絲板作為承重結(jié)構(gòu)的房屋，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)采用彈性理論進行設(shè)計，并進行必要的抗震驗算。

[1]徐學(xué)東,段緒勝,趙守杰,等.木絲水泥板建造環(huán)保節(jié)能農(nóng)村住房的試驗研究[J].新型建筑材料,2010(5):1-2

[2]吳志敏,李 明,黃 偉,等.木絲水泥板作為免拆模板及保溫材料的應(yīng)用技術(shù)研究[J].新型建筑材料,2014(7):1-5

[3]劉紅彪,郭 訊.9度設(shè)防區(qū)場地脈動測試分析[J].地震工程與工程振動,2011,31(6):24-29

[4]黃 俞.超高層建筑結(jié)構(gòu)動力特性測試研究及地震反應(yīng)分析[D].西安:西安理工大學(xué),2006

[5]羅桂純,李小軍,王玉石,等.關(guān)于中村方法分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)有效性的討論[J].2014,36(3):491-499

[6]李 斌.高層建筑結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法的應(yīng)用[D].上海:同濟大學(xué),2006

[7]大崎順彥.地震動的譜分析入門[M].第2版.田 琪譯.北京:地震出版社,2008

[8]趙狄榮,趙 彥.水泥木絲板[J].新型建筑材料,201037(11):95-99

[9]應(yīng)懷樵,劉進明,沈 松.半功率帶寬法與INV阻尼法求阻尼比的研究[J].噪聲與振動控制,2006(2):4-6

[10]中國建筑科學(xué)研究院.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50017-2013鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003

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