板－柱－轻钢结构房屋住宅体系动力特性试验研究＊

邢国起，吴俊喜

（1.潍坊学院，山东 潍坊 261061；2.山东鸿泰建设集团公司，山东 寿光 262700）

板－柱－轻钢结构房屋住宅体系动力特性试验研究＊

邢国起1，吴俊喜2

（1.潍坊学院，山东 潍坊 261061；2.山东鸿泰建设集团公司，山东 寿光 262700）

通过对板－柱－轻钢结构模型进行结构动力特性试验，得到结构模型的自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数，对试验得到的参数与其理论值进行了对比分析，为该结构体系的后续试验研究提供了基础资料。

板－柱－轻钢结构；动力特性；自振频率；阻尼比；振型

1 引言

随着农村城镇化步伐的不断加快，特别是为了适应建设节能省地型住宅的需求，开发结构形式符合多种不同组合，最大限度利用有效空间的建筑尤为迫切，这项技术的开发不仅关系到住宅能源的消耗，同时涉及地球有限资源的合理利用。但目前我国住宅建筑特别是城镇住宅建筑，采用的结构形式多以传统的砖混结构、木结构、辅以混凝土框架结构为主。

开发一种结构安全、经济合理、施工方便的新型住宅结构体系是当前住宅建筑技术领域的一项迫切的新课题。板－柱－轻钢结构房屋住宅体系则是解决上述结构形式不足的一条行之有效的途径。该结构体系特点主要有自重轻、空间利用率高、施工速度快、抗震性好、工业化程度高等特点。本文主要通过低层（≤3层）板－柱－轻钢结构模型进行结构动力特性试验，得到结构模型的自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数，研究结构模型自振特性试验值与理论值的差异，为后续振动台试验需要的试验参数提供基础资料。

2 试验过程

2.1 试验模型选取

由于板－柱－轻钢结构体系的住宅组合形式具有多样性，为了能真实的反应该结构体系的动力特性性能，试验模型设计成1：1房屋模型。根据振动台参数的要求，模拟单元2.4×2.4m，两层，层高为2.65m。结构模型平、立面图如图1所示。

图1 结构模型平、立面图

图2 板－柱－轻钢结构模型

2.2 试验模型制作

试验模型所用材料以及各种构造连接均与实际工程保持一致。钢框架柱和梁均采用轧制宽翼缘H型钢，HW125×125×6.59，材料均为Q235B。结构模型外墙体系中的混凝土挂柱按600mm为安装模数固定在模型层间梁的天地龙骨之间，天地龙骨两端与H型钢柱焊接连接，中部与型钢梁焊接，规格为100 ×20×1.5mm。混凝土挂柱的位移分别被龙骨檐和5cm长的镀锌钢管卡住。墙体外挂板挂在混凝土挂柱上，主要规格尺寸为1200×180×40mm、600×180×40mm。挂板柱内侧是发泡聚苯板，比重为16kg／m3，尺寸为1000×500×20mm。发泡聚苯板内侧是10cm厚度的矿棉板，紧贴在发泡聚苯板的背面。矿棉板内侧是3cm的轻质高强保温的内壁板。试验结构模型如图2所示。

2.3 动力特性试验

对结构模型进行模拟地震振动台试验，测试结构模型的抗震性能，需要知道在输入不同等级强度地震波作用前后结构模型的动力特性变化情况。结构的固有频率及相应的振型虽然可以由结构振动理论计算得到，但由于实际结构形式和连接的复杂、材料性质的非线性等因素，经过简化计算得到的理论数值往往有一定的误差，至于阻尼系数则一般只能通过试验来确定［1－2］。因此，采用试验手段研究结构的动力特性具有重要的实际意义。

2.3.1 传感器布置

测平移振动时传感器应尽量布置在结构的刚度中心，测扭转振动时应布置在过刚度中心连线的结构两侧［3］。本试验的结构模型采用对称布置，故只测平移振动信号。各层楼板对称轴上靠近墙体位置布置加速度传感器，浇筑在连接钢板上的地梁上也布置传感器，加速度传感器共12个（布置如图3）。

图3 传感器布置图

2.3.2 试验测试

测试内容主要包括位移、速度、加速度，要求采样时各测试方向上的拾振器朝向一致。各样本长度相同，均为1024点，采样频率为1000 Hz，实际最高分析频率为500 Hz，满足实际采样要求［3］。测试环境安静，无外界振动干扰，并有多达15分钟的记录长度，保证了随机数据信号有较好的统计精度，当发现信号有较大的波动时就取消重采。试验采集到的脉动信号如图4。

图4 脉动采集信号

3 试验结果与分析

3.1 自振频率

由于测量噪声和激振源的影响，结构反应自功率谱的峰值处不一定是模态频率，可以依据下列原则判断结构模态频率：①结构反应各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；②模态频率处各测点的相干函数较大；③各测点在模态频率处各测点具有近似同相位或反相位的特点［4］。

依据以上原则，通过对脉动试验各测点的自功率谱与参考点的互功率谱的分析，得到X、Y两个方向的自振频率，如图5与图6所示。

根据以上脉动分析的结果，在以上四个频率附近进行简谐波激振，手动调节输入的频率，当到某一频率处时，左右微调都会使加速度时程曲线的振幅减弱，则结构模型在此频率简谐波激振下产生了共振，此时的频率读数则为结构模型的自振频率，结构模型两方向简谐波激振分析得到的自振频率见图7、图8。

图5 脉动测试X向自振频率

图6 脉动测试Y向自振频率

图7 简谐波测试X向自振频率

3.2 振型

当结构模型在简谐波激振下产生共振时，对布置在各楼层相应位置处的加速度传感器记录响应信号进行FFT变换，得到该频率下各测点频响函数的幅频曲线，各测点的频率峰值之比等于该阶频率对应的振型在各测点处的坐标之比，振型坐标在各测点处的符号可由各测点间互功率谱的相位关系确定，可得到对应于该频率下X、Y两方向上的振型如图9所示。

图8 简谐波测试Y向自振频率

图9 结构模型振型图

3.3 阻尼比

施加简谐波激振时，使结构模型达到共振时关闭信号发生器，得到结构模型在该阶频率下共振时的衰减曲线，利用衰减曲线图可以计算得出结构该阶频率对应的阻尼比。由于实测得到的振动记录图常常有直流分量，所以在测量阻尼时采用了从峰到峰的测量方法。阻尼比D的计算公式为：

其中，ak和ak＋π分别表示第k＋n个周期和第个周期相应的最大振幅［3］。各频率对应的阻尼比计算结果见表1，可以看出结构模型的阻尼比随着频率的增大而减小，平移基频的阻尼比分别为1.0397%和1.2985%，都小于《建筑抗震设计规范》所取的建筑结构的阻尼比5%。

表1 结构模型各频率对应的阻尼比

4 动力特性理论分析［5］

用SAP2000软件建立有限元模型，由于结构模型外墙构造及其与主体框架连接复杂，在建模过程中采取简化措施，对于整个外墙体认为是对结构主体框架的支撑，外挂板及墙体其他材料折算成荷载加在梁上。该支撑以外挂板直接镶嵌在楼层梁间表示，由于墙体和主体非刚接，将支撑上下两端均释放相应约束以达到柔性连接性质的效果。应用特征向量法分析得到结构模型的前四阶振型和频率如图10。

图10 理论分析的前四阶振型及频率

理论计算与试验所得的自振频率见表2，可以看出，用试验方法测得的结果与用SAP2000建模计算得到的数据在第一阶吻合得比较好，第二阶有一定的误差，主要是结构构造比较复杂，外墙体简化比较困难。由此可以认为脉动法测结构的高阶频率存在一定的误差，这主要是由于脉动信号中的杂音还有仪器设备本身的振动所造成的，因此，脉动法测试结构的自振频率时一定要选择合适的时间段，并要有足够长的信号记录。

表2 结构模型自振频率

5 结论

本文利用振动台试验输入模拟地震源，测试板－柱－轻钢结构的脉动响应信号，并利用工程振动反演理论分析得到了该结构的自振频率、振型、阻尼比等动力特性参数，为板－柱－轻钢结构的后续振动台试验提供了基础数据。通过运用SAP2000建模计算得到的自振频率数据在第一阶与试验值吻合地较好，第二阶则有一定的误差。因此可以认为运用本试验方法得到的动力特性参数基本可行。

［1］施卫星，王进.钢筋混凝土框架结构动力特性研究［J］.地震工程与工程振动，2010，30（6）：87－91.

［2］白国良，姜维山，赵鸿铁，等.钢梁－钢筋混凝上柱组合结构厂房的动力性能实测［J］.工业建筑，1996，26（4）：33－37.

［3］周明华.土木工程结构试验与监测［M］.南京：东南大学出版社，2002：136－143.

［4］王宁，李振宝，闫维明.复杂结构动力特性脉动测试与分析［J］.工业建筑，2007，37（增刊）：333－336.

［5］杜国锋，徐礼华，许成祥，等.钢管混凝土柱框架结构动力特性试验与有限元分析［J］.武汉大学学报：工学版，2007，40（5）：98－102.

（责任编辑：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

邢国起（1977－），男，山东潍坊人，潍坊学院建筑工程学院讲师，硕士，国家一级注册结构工程师。

TU352 文献标识码：A 文章编号：1671－4288（2011）06－0145－06