板－柱－輕鋼結構房屋住宅體系動力特性試驗研究＊

邢國起，吳俊喜

（1.濰坊學院，山東 濰坊 261061；2.山東鴻泰建設集團公司，山東 壽光 262700）

板－柱－輕鋼結構房屋住宅體系動力特性試驗研究＊

邢國起1，吳俊喜2

（1.濰坊學院，山東 濰坊 261061；2.山東鴻泰建設集團公司，山東 壽光 262700）

通過對板－柱－輕鋼結構模型進行結構動力特性試驗，得到結構模型的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數，對試驗得到的參數與其理論值進行了對比分析，為該結構體系的后續試驗研究提供了基礎資料。

板－柱－輕鋼結構；動力特性；自振頻率；阻尼比；振型

1 引言

隨著農村城鎮化步伐的不斷加快，特別是為了適應建設節能省地型住宅的需求，開發結構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，這項技術的開發不僅關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住宅建筑，采用的結構形式多以傳統的磚混結構、木結構、輔以混凝土框架結構為主。

開發一種結構安全、經濟合理、施工方便的新型住宅結構體系是當前住宅建筑技術領域的一項迫切的新課題。板－柱－輕鋼結構房屋住宅體系則是解決上述結構形式不足的一條行之有效的途徑。該結構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、工業化程度高等特點。本文主要通過低層（≤3層）板－柱－輕鋼結構模型進行結構動力特性試驗，得到結構模型的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數，研究結構模型自振特性試驗值與理論值的差異，為后續振動臺試驗需要的試驗參數提供基礎資料。

2 試驗過程

2.1 試驗模型選取

由于板－柱－輕鋼結構體系的住宅組合形式具有多樣性，為了能真實的反應該結構體系的動力特性性能，試驗模型設計成1：1房屋模型。根據振動臺參數的要求，模擬單元2.4×2.4m，兩層，層高為2.65m。結構模型平、立面圖如圖1所示。

圖1 結構模型平、立面圖

圖2 板－柱－輕鋼結構模型

2.2 試驗模型制作

試驗模型所用材料以及各種構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。結構模型外墻體系中的混凝土掛柱按600mm為安裝模數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，規格為100 ×20×1.5mm。混凝土掛柱的位移分別被龍骨檐和5cm長的鍍鋅鋼管卡住。墻體外掛板掛在混凝土掛柱上，主要規格尺寸為1200×180×40mm、600×180×40mm。掛板柱內側是發泡聚苯板，比重為16kg／m3，尺寸為1000×500×20mm。發泡聚苯板內側是10cm厚度的礦棉板，緊貼在發泡聚苯板的背面。礦棉板內側是3cm的輕質高強保溫的內壁板。試驗結構模型如圖2所示。

2.3 動力特性試驗

對結構模型進行模擬地震振動臺試驗，測試結構模型的抗震性能，需要知道在輸入不同等級強度地震波作用前后結構模型的動力特性變化情況。結構的固有頻率及相應的振型雖然可以由結構振動理論計算得到，但由于實際結構形式和連接的復雜、材料性質的非線性等因素，經過簡化計算得到的理論數值往往有一定的誤差，至于阻尼系數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構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盡量布置在結構的剛度中心，測扭轉振動時應布置在過剛度中心連線的結構兩側［3］。本試驗的結構模型采用對稱布置，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］。測試環境安靜，無外界振動干擾，并有多達15分鐘的記錄長度，保證了隨機數據信號有較好的統計精度，當發現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 試驗結果與分析

3.1 自振頻率

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

依據以上原則，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。

根據以上脈動分析的結果，在以上四個頻率附近進行簡諧波激振，手動調節輸入的頻率，當到某一頻率處時，左右微調都會使加速度時程曲線的振幅減弱，則結構模型在此頻率簡諧波激振下產生了共振，此時的頻率讀數則為結構模型的自振頻率，結構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

當結構模型在簡諧波激振下產生共振時，對布置在各樓層相應位置處的加速度傳感器記錄響應信號進行FFT變換，得到該頻率下各測點頻響函數的幅頻曲線，各測點的頻率峰值之比等于該階頻率對應的振型在各測點處的坐標之比，振型坐標在各測點處的符號可由各測點間互功率譜的相位關系確定，可得到對應于該頻率下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 結構模型振型圖

3.3 阻尼比

施加簡諧波激振時，使結構模型達到共振時關閉信號發生器，得到結構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構該階頻率對應的阻尼比。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的最大振幅［3］。各頻率對應的阻尼比計算結果見表1，可以看出結構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《建筑抗震設計規范》所取的建筑結構的阻尼比5%。

表1 結構模型各頻率對應的阻尼比

4 動力特性理論分析［5］

用SAP2000軟件建立有限元模型，由于結構模型外墻構造及其與主體框架連接復雜，在建模過程中采取簡化措施，對于整個外墻體認為是對結構主體框架的支撐，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約束以達到柔性連接性質的效果。應用特征向量法分析得到結構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果與用SAP2000建模計算得到的數據在第一階吻合得比較好，第二階有一定的誤差，主要是結構構造比較復雜，外墻體簡化比較困難。由此可以認為脈動法測結構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備本身的振動所造成的，因此，脈動法測試結構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 結構模型自振頻率

5 結論

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

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

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［3］周明華.土木工程結構試驗與監測［M］.南京：東南大學出版社，2002：136－143.

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［5］杜國鋒，徐禮華，許成祥，等.鋼管混凝土柱框架結構動力特性試驗與有限元分析［J］.武漢大學學報：工學版，2007，40（5）：98－102.

（責任編輯：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，濰坊學院建筑工程學院講師，碩士，國家一級注冊結構工程師。

TU352 文獻標識碼：A 文章編號：1671－4288（2011）06－0145－06