木丝水泥板样板房动力特性脉动法测试研究

陈建琪,孙 勇,李慧敏

山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安 271018

木丝水泥板样板房动力特性脉动法测试研究

陈建琪,孙 勇*,李慧敏

山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安 271018

本文运用脉动法，对一木丝水泥板作为永久模板建成的2层农村住房进行原位测试，得到结构脉动响应数据，通过傅立叶变换的频谱分析法获取结构的自振频率，并利用半功率带宽法准确估算出结构阻尼比。结果表明：木丝板房的自振频率为1.63 Hz，刚度较普通混凝土房屋小；横向阻尼比为1.98%，纵向阻尼比为1.78%，横向阻尼比较纵向大11.2%，该建筑的阻尼比较小，为普通混凝土房屋的1/4～2/3。本研究对此类新型村镇住房的结构设计与抗震性能研究具有指导意义。

脉动测试;木丝板房;动力特性;频谱分析;半功率带宽法

随着我国农村房屋建设的不断发展和农民对居住条件要求的提高，徐学东等经过试验研究，采用木丝水泥板作为永久模板建造了环保节能农村住房[1]。该类住房具有造价低、材质轻，保温隔热效果好等诸多优点，具有良好的发展前景。水泥木丝板自问世以来多被用作保温、吸声板材，虽然国际上已有发展中国家采用水泥木丝板建造经济适用房的案例[2]，但目前对于此类房屋动力特性研究较少。本文运用脉动法研究木丝板房动力特性对其抗震性能研究有十分重要的意义。

脉动法测试能够方便快速地获得建筑结构振动响应，对响应数据进行计算分析，能够较为准确得到结构的动力特性。该方法已广泛应用于工程实践中[3-5]：刘红彪等应用脉动法测试获得了四川省西昌市场地卓越周期的分布规律；黄瑜运用脉动法实测研究了陕西省信息大厦的结构动力特性；罗桂纯等基于建筑结构对脉动噪声的响应，利用单点谱比法估算了钢筋混凝土建筑结构的自振频率。

1 脉动法测试

1.1 测试原理

以自然环境微小振动作为结构的输入，通过被测试结构的输出数据识别结构动力特性和模态参数，叫做脉动测试，也叫环境激励法。建筑物可看作是一个多自由度的系统，其在环境激励下的脉动是一种各态历经的平稳随机过程，因地脉动所包含的频谱是非常丰富的，只要确定足够长的测试时间，就可以用单个样本函数来描述随机过程的所有特征，并可以明显反映出建筑物的固有频率和自振特性[6]。在自功率谱中，运用经典的半功率带宽法进行阻尼比识别即可满足工程精度要求。

1.2 现场测试

本文测试的木丝水泥板样板房为2层建筑，建筑面积225.26 m2，屋顶局部为露台，用于休息及晾晒，房屋结构结合低层民房的特点，选择了短肢剪力墙轻型框架。如图1所示。

图1 木丝水泥板样板房1层（a）、2层（b）平面图Fig.1 Floor 1(a)and 2(b)floor plan of wood cement panel

基于脉动法理论，本次动力特性测试选用中国地震局工程力学研究所研发的941B型超低频测振仪，配以外接放大器、相关的时域、频域数据处理软件。测试前，对传感器作归一化处理，确保数据精度。为使拾振器仅拾取平动信号，将测点布置在一层和二层的地面的刚度中心处（如图1所示），以避免扭转振动信号干扰。每个测点固定三个传感器，一个垂直两个水平，水平方向选择房屋横向与纵向。传感器选用加速度档，经过试采样，确定采样频率为100 Hz。每次测试时间定为15 min，一层、二层各测试3组数据。

2 数据处理与分析

测试得到了各层刚度中心处的脉动响应加速度时程曲线，选取随机振动良好的数据进行分析。为保证频谱图具有良好的频率分辨率，从原始数据截取了60 s时程数据进行分析（如图2所示），利用快速傅立叶变换，将采集的时域数据变换到频域进行分析。

图2 木丝水泥板样板房脉动响应加速度时程曲线Fig.2 Wood cement board room pulsating responses acceleration time history curve

2.1 傅立叶变换原理

由本文中的测试原理部分可知，采集得到的数据是响应输出数据，对输出数据进行频谱分析即可获取结构的自振频率。傅立叶变换的过程，即求解样本值函数，亦是进行频率成分分析的过程[7]。采集得到的时域数据是一个按照等时间间隔记录的加速度幅值的序列，本次测试中采样频率为100 Hz，因而确定时间间隔为0.01 s。文章中处理了60 s的离散数据，共包含6000个加速度幅值数据，将其作为样本值，样本值与时间t的函数称样本值函数，记为“（t）”。

式中，Ak，Bk为有限傅里叶系数，按照下式求解，其中N为样本个数，本例中，N取6000，fk为频率。

通过傅立叶谱能够检出结构输出时程信号中所含的频率成分以及那些频率分量的振幅大，能够快速精确地获取结构的自振频率。

2.2 幅值谱分析

利用上述原理，通过快速傅立叶变化程序计算得到了结构三个方向的傅立叶幅值谱。（图3）从中可以看出：对振动峰值分析：结构的横向振动幅值较纵向小，房屋横向布置的墙体较纵向多，不易产生过大的振幅。对振动频率分析：结构横向、纵向、竖向三个方向的自振频率为1.62 Hz，可以看出结构的刚度同比于相同布置形式的混凝土或砌体房屋要小。木丝材料在一定程度上改善了混凝土脆性性能，增加了结构的韧性，且材料具有较高的强度[8]，在地震作用下，可产生较大的弹塑性变形吸收能量，利于抗震。

图3 木丝水泥板样板房脉动响应加速度幅值谱Fig.3 The acceleration amplitude spectrum of the wood cement board model house pulsating responses

2.3 获得结构阻尼比

阻尼比是计算结构地震反应时的一个基本参数。阻尼比无法通过理论计算得到，只有通过现场实测或者振动台试验才能得到。文中采用半功率带宽法[9]，根据简谐振动系统共振时的频响曲线（图4）来推算阻尼比。特别在环境激励情况下，被广泛应用于测量结构的阻尼比。按照下式进行计算得到结构基频对应的阻尼比（表1）。

其中：D为阻尼比，fn为系统共振频率，H为共振峰幅值，f1，f2分别表示幅值为0.707 H对应的两频率点，Δfw为半功率带宽。

图4 频谱响应图Fig.4 Spectral response figure

表1 结构自振频率对应的阻尼比Table 1 The structural natural frequencies corresponding to the damping ratio

从表中可以得到，对上述三组数据取平均，木丝板房横向阻尼比为1.98%，纵向阻尼比为1.78%，结构横向的阻尼比较纵向大，大11.2%。木丝板房较的阻尼比较一般混凝土结构要小，约为普通混凝土结构的1/4～2/3，与钢结构阻尼比相当[10,11]。因此在进行结构设计时，应考虑按照弹性理论设计。

3 结论

本文运用脉动法测试得到了木丝板房的振动响应数据，通过频谱分析得到结论如下：

（1）该2层木丝板房的自振频率为1.63 Hz，较相同布置形式的混凝土与砌体结构小。木丝改善了混凝土材料的脆性，使得结构整体柔韧性增强，在地震作用下，结构能够通过弹塑性变形消耗地震能，利于抗震；

（2）木丝板房的阻尼比较小，为一般混凝土结构的1/4～2/3。而木丝板材具有保温、吸声等优越性能，具有良好的发展前景。对于应用木丝板作为承重结构的房屋，在进行结构设计时，应采用弹性理论进行设计，并进行必要的抗震验算。

[1]徐学东,段绪胜,赵守杰,等.木丝水泥板建造环保节能农村住房的试验研究[J].新型建筑材料,2010(5):1-2

[2]吴志敏,李 明,黄 伟,等.木丝水泥板作为免拆模板及保温材料的应用技术研究[J].新型建筑材料,2014(7):1-5

[3]刘红彪,郭 讯.9度设防区场地脉动测试分析[J].地震工程与工程振动,2011,31(6):24-29

[4]黄 俞.超高层建筑结构动力特性测试研究及地震反应分析[D].西安:西安理工大学,2006

[5]罗桂纯,李小军,王玉石,等.关于中村方法分析结构响应有效性的讨论[J].2014,36(3):491-499

[6]李 斌.高层建筑结构模态分析方法的应用[D].上海:同济大学,2006

[7]大崎顺彦.地震动的谱分析入门[M].第2版.田 琪译.北京:地震出版社,2008

[8]赵狄荣,赵 彦.水泥木丝板[J].新型建筑材料,201037(11):95-99

[9]应怀樵,刘进明,沈 松.半功率带宽法与INV阻尼法求阻尼比的研究[J].噪声与振动控制,2006(2):4-6

[10]中国建筑科学研究院.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50017-2013钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,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

基于山东传统范式和现代建筑体系的农村住宅建造集成技术研究与示范(2013GNC11401)

陈建琪(1991-),男,研究生,研究方向:结构工程.E-mail:1263475532@qq.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:sunyong@sdau.edu.cn