轻型木结构建筑墙体与屋盖系统阻尼比动态参数测试研究

沈肇雨， 王 正， 周 晶

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

轻型木结构是利用均匀密布的规格材来承受房屋各种平面和空间作用的受力体系[1]，研究证明作为一种结构体系，在合理的设计、施工和维护条件下，现代轻型木结构体系的抗震性能明显优于其他材料结构体系[2]。人们对木结构建筑的结构动力特性的要求较高，尤其是对其抗震重要参数之一的阻尼特性尤为关注。阻尼是使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用。阻尼比用于表达结构阻尼的大小，是结构的动力特性之一，结构常见的阻尼比均在0～1之间[3]。

动态特性是指输入随时间变化的特性。多年来，北美、北欧、日本等发达国家对木结构的工作性能(变形和振动)、木结构的连接和木桥的设计等进行设计研究，均取得了显著成果。2009年，刘杰等对第一所采用现代木结构建造的四川省都江堰向峨小学三栋校舍的结构动力特性测试，并将实测的结构基本自振周期和阻尼比与规范建议值进行了对比和分析。其结论表明：其环境脉动对结构的激励幅值非常小，认为规范给出的用于结构地震作用计算的简化方法用于抗震设计是安全的[4]。2014年，何敏娟对轻型木结构房屋的动力特性进行了现场测试分析。该研究利用环境脉动来确定建筑的动力特性，现场动力测试采用高灵敏度的加速度传感器和高性能的采集分析设备。结论表明：非结构构件安装后，轻型木结构的自振周期减小，阻尼比明显增大，说明石膏板等非结构构件参与了结构耗能，对结构抗震有利[5]。2018年，Jayamon，Jeena R对木框架剪力墙结构阻尼特性进行了研究，为木框架-剪力墙结构分析中建立合理的阻尼模型和改进提供了参考[6]。

为了更深入地掌握木结构建筑阻尼参数动态特性，本文基于结构动力学理论，在我国现有标准和规范以及国外最新科研成果的基础上，分别对一幢欧式和北美式建筑的主要系统墙体及其屋盖的阻尼比进行了测试研究，为提高国内轻型木结构建筑的减振性能具有较好的工程应用价值。北美式和欧式轻型木结构建筑如图1所示。

图1 北美式(前)和欧式(后)轻型木结构建筑

1 材料与方法

1.1 测试对象

欧式轻型木结构建筑外墙由外墙饰面板、12～19 mm厚空气间层、聚乙烯防水透气薄膜、12 mm厚墙体覆面板、40 mm×140 mm木龙骨填充保温棉和12 mm厚石膏板组成。内墙构造主要有两层12 mm厚石膏板，布置于内侧和外侧，中间层为40 mm×90 mm木龙骨填充保温棉，欧式内墙主要起承重作用。北美式轻型木结构建筑外墙主要由墙面板、防水透气膜、木龙骨及挂板组成，如图2所示。

图2 北美式墙体结构

将所有被测墙体进行编号，欧式轻型木结构建筑外墙体编号由东、南、北依次为E1、E2、E3，欧式内墙西编号为E0，其屋盖两处编号为ER1和ER2。北美式轻型木结构建筑外墙编号为NA，每组墙体进行两组测试。欧式轻型木结构建筑外墙体每个墙体两组试验的布置拆分图如图3、图4所示。其一组加速度计位于木龙骨在墙体的投影截面上，一组置于木龙骨投影界面以外的区域。

图3 欧式外墙体试验组1布置拆分图

图4 欧式外墙体试验组2布置拆分图

1.2 测试仪器及配置

CRAS振动及动态信号采集分析系统1套。主要包括AZ-308数据采集箱、AZ-802信号调理箱和MaCars软件，由南京安正软件工程有限责任公司制造；JF-LC-1003力锤1只，其灵敏度为2.07 mV/kN，测量范围为0～30 kN，锤头质量350 g，锤柄长度280 mm，橡胶缓冲头质量69.1 g；CA-YD-125加速度传感器1只，其灵敏度为15.9 PC/m·s2，测量范围为0～20 000 Hz。

1.3 测试方法及原理

本试验采用动态信号测试的自由衰减法，得出欧式和北美式轻型木结构建筑墙体和屋盖系统的阻尼比参数。即实现测试系统的自由振动时，由于系统存在阻尼特性，其振幅呈指数衰减波形，利用振幅对数衰减率的时域法与半功率带宽频域法，通过时域衰减的振波曲线上A1，A2，…An值，分别计算出对数减幅系数δ和阻尼比ξ。

(1)

(2)

式(1)中：A1为第1峰值的加速度值，m/s2；An为第n峰值的加速度值，m/s2。

1.4 主要测试步骤

首先，按照如图5所示的测试系统框图完成系统连接；其次，完成软件设置：采用自由触发方式，电压范围为±5 000 mV，信号放大倍数为10，校正因子为47.2，分析频率为500 Hz；本试验选择低通滤波器的频率上限，即滤波频率设为500 Hz；再次，完成系统示波；最后，利用CRAS振动及动态信号采集分析系统，用力捶对测试对象进行撞击，通过粘贴在测试对象上的感应片把数据反馈到信息采集箱里，然后进行数据分析处理。

图5 测试系统框图

2 结果与分析

2.1 测试结果

通过上述对欧式和北美建筑每组墙体和屋盖均测试两组试验工作，利用式(1)和式(2)测算其对数减幅系数δ和阻尼比ξ，如图6所示。

图6 欧式轻型木结构外墙东的阻尼测试数据(组1)

由图6得到欧式外墙东(组1)中A1=0.45，A5=0.12，根据式(1)和式(2)测算出对数减幅系数δ和阻尼比值ξ。同理，其他墙体依次测出其A1和An值，见表1。

表1 墙体和屋盖阻尼比测算值一览表

2.2 结果分析

通过上述试验，得出欧式建筑墙体阻尼比值ξ在0.057 5～0.1之间，均值为0.076 4；欧式建筑屋盖的阻尼比均值ξ为0.037 3；北美式建筑外墙阻尼比均值ξ为0.057 3。两种建筑墙体的阻尼比值均满足设计规范要求[7]。同时，欧式墙体的阻尼比均值大于北美式墙体，说明欧式建筑墙体结构阻尼特性优于北美式建筑墙体。在比较欧式建筑外墙不同加速度计放置位置的测试中可发现，位于木龙骨投影截面的加速度计测得的阻尼比值高于其他位置值，说明木龙骨对减振作用明显。根据墙体不同构造而言，欧式墙体比北美式墙体更加复杂，且多出石膏板等非结构构件，且木龙骨厚度不同导致两者阻尼比不同。因石膏板为脆性材料，抗剪强度低，一般在结构设计中不考虑其对结构承载力的贡献。然而，石膏板能使结构的初始刚度明显增加，对轻型木结构的抗侧刚度有明显影响[8]。显然，有面层材料的轻型木结构墙体，其阻尼比要明显比无面层材料的墙体大，说明面层材料(特别是石膏板)参与了结构耗能作用，进而影响其阻尼比值。轻型木结构房屋阻尼比测试值与结构经历的振动幅值有关，振动幅值越大，对数减幅系数δ越大，其阻尼比ξ也越大。另外，从材料层面上看，墙体的阻尼比值明显高于其屋盖阻尼比值，说明墙体材料在减振方面发挥了主要作用。

表1中，内墙系统的阻尼比均值最大，说明内墙因起建筑的承重作用，可看出该内墙的减振性能是整个房屋系统里面最好的。本研究的北美式建筑墙体的木龙骨规格为40 mm×90 mm，欧式墙体木龙骨规格40 mm×140 mm，欧式的墙体厚度明显厚于北美式的墙体，显然符合测试原理材料影响因素的要求，如图7、图8所示。

图7 欧式墙体和屋盖数据对比图

图8 欧式墙体与北美式墙体数据对比图

3 结论

(1)本研究在测试阻尼比的试验中依据振幅对数衰减率的时域法与半功率带宽频域法，分别对建筑同一面墙体或屋盖采用两测点测试，其结果准确、可靠；

(2)欧式轻型木结构建筑的墙体(木龙骨规格40 mm×140 mm中间填充保温棉)相比于北美式的墙体(木龙骨规格40 mm×90 mm中间填充保温棉)较厚，其阻尼比更大，减振性能更好。墙体的木龙骨在结构抗震层面起到很大作用，可通过减小木龙骨间距以提升墙体整体减振性能；

(3)同一木结构建筑外墙间的阻尼比值差距不大；而同一建筑内墙的阻尼比要大于外墙的阻尼比，内墙的减振性能则好于外墙；

(4)欧式轻型木结构建筑墙体的阻尼比值明显高于其屋盖阻尼比值。

总之，木结构建筑已被证明是节能减排、可持续发展的绿色建筑，在全世界范围内已得到了普遍认可和大力推广。基于本研究，笔者将进一步研究地震、风力、噪声等环境激励因素对抗震安居示范建筑的影响，并探究轻型木结构中不同的材料规格以及不同的结构系统等各种因素对阻尼等特性影响，以期为我国轻型木结构建筑的优化设计与应用提供有益参考。