沈肇雨， 王 正， 周 晶

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

輕型木結(jié)構(gòu)是利用均勻密布的規(guī)格材來(lái)承受房屋各種平面和空間作用的受力體系[1]，研究證明作為一種結(jié)構(gòu)體系，在合理的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)條件下，現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)體系的抗震性能明顯優(yōu)于其他材料結(jié)構(gòu)體系[2]。人們對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的要求較高，尤其是對(duì)其抗震重要參數(shù)之一的阻尼特性尤為關(guān)注。阻尼是使自由振動(dòng)衰減的各種摩擦和其他阻礙作用。阻尼比用于表達(dá)結(jié)構(gòu)阻尼的大小，是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性之一，結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的阻尼比均在0～1之間[3]。

動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間變化的特性。多年來(lái)，北美、北歐、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)木結(jié)構(gòu)的工作性能(變形和振動(dòng))、木結(jié)構(gòu)的連接和木橋的設(shè)計(jì)等進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，均取得了顯著成果。2009年，劉杰等對(duì)第一所采用現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建造的四川省都江堰向峨小學(xué)三棟校舍的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試，并將實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)基本自振周期和阻尼比與規(guī)范建議值進(jìn)行了對(duì)比和分析。其結(jié)論表明：其環(huán)境脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)幅值非常小，認(rèn)為規(guī)范給出的用于結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算的簡(jiǎn)化方法用于抗震設(shè)計(jì)是安全的[4]。2014年，何敏娟對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)房屋的動(dòng)力特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析。該研究利用環(huán)境脈動(dòng)來(lái)確定建筑的動(dòng)力特性，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試采用高靈敏度的加速度傳感器和高性能的采集分析設(shè)備。結(jié)論表明：非結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝后，輕型木結(jié)構(gòu)的自振周期減小，阻尼比明顯增大，說(shuō)明石膏板等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與了結(jié)構(gòu)耗能，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利[5]。2018年，Jayamon，Jeena R對(duì)木框架剪力墻結(jié)構(gòu)阻尼特性進(jìn)行了研究，為木框架-剪力墻結(jié)構(gòu)分析中建立合理的阻尼模型和改進(jìn)提供了參考[6]。

為了更深入地掌握木結(jié)構(gòu)建筑阻尼參數(shù)動(dòng)態(tài)特性，本文基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，在我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及國(guó)外最新科研成果的基礎(chǔ)上，分別對(duì)一幢歐式和北美式建筑的主要系統(tǒng)墻體及其屋蓋的阻尼比進(jìn)行了測(cè)試研究，為提高國(guó)內(nèi)輕型木結(jié)構(gòu)建筑的減振性能具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。北美式和歐式輕型木結(jié)構(gòu)建筑如圖1所示。

圖1 北美式(前)和歐式(后)輕型木結(jié)構(gòu)建筑

1 材料與方法

1.1 測(cè)試對(duì)象

歐式輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻由外墻飾面板、12～19 mm厚空氣間層、聚乙烯防水透氣薄膜、12 mm厚墻體覆面板、40 mm×140 mm木龍骨填充保溫棉和12 mm厚石膏板組成。內(nèi)墻構(gòu)造主要有兩層12 mm厚石膏板，布置于內(nèi)側(cè)和外側(cè)，中間層為40 mm×90 mm木龍骨填充保溫棉，歐式內(nèi)墻主要起承重作用。北美式輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻主要由墻面板、防水透氣膜、木龍骨及掛板組成，如圖2所示。

圖2 北美式墻體結(jié)構(gòu)

將所有被測(cè)墻體進(jìn)行編號(hào)，歐式輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻體編號(hào)由東、南、北依次為E1、E2、E3，歐式內(nèi)墻西編號(hào)為E0，其屋蓋兩處編號(hào)為ER1和ER2。北美式輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻編號(hào)為NA，每組墻體進(jìn)行兩組測(cè)試。歐式輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻體每個(gè)墻體兩組試驗(yàn)的布置拆分圖如圖3、圖4所示。其一組加速度計(jì)位于木龍骨在墻體的投影截面上，一組置于木龍骨投影界面以外的區(qū)域。

圖3 歐式外墻體試驗(yàn)組1布置拆分圖

圖4 歐式外墻體試驗(yàn)組2布置拆分圖

1.2 測(cè)試儀器及配置

CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)1套。主要包括AZ-308數(shù)據(jù)采集箱、AZ-802信號(hào)調(diào)理箱和MaCars軟件，由南京安正軟件工程有限責(zé)任公司制造；JF-LC-1003力錘1只，其靈敏度為2.07 mV/kN，測(cè)量范圍為0～30 kN，錘頭質(zhì)量350 g，錘柄長(zhǎng)度280 mm，橡膠緩沖頭質(zhì)量69.1 g；CA-YD-125加速度傳感器1只，其靈敏度為15.9 PC/m·s2，測(cè)量范圍為0～20 000 Hz。

1.3 測(cè)試方法及原理

本試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試的自由衰減法，得出歐式和北美式輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體和屋蓋系統(tǒng)的阻尼比參數(shù)。即實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的自由振動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)存在阻尼特性，其振幅呈指數(shù)衰減波形，利用振幅對(duì)數(shù)衰減率的時(shí)域法與半功率帶寬頻域法，通過(guò)時(shí)域衰減的振波曲線上A1，A2，…An值，分別計(jì)算出對(duì)數(shù)減幅系數(shù)δ和阻尼比ξ。

(1)

(2)

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

1.4 主要測(cè)試步驟

首先，按照如圖5所示的測(cè)試系統(tǒng)框圖完成系統(tǒng)連接；其次，完成軟件設(shè)置：采用自由觸發(fā)方式，電壓范圍為±5 000 mV，信號(hào)放大倍數(shù)為10，校正因子為47.2，分析頻率為500 Hz；本試驗(yàn)選擇低通濾波器的頻率上限，即濾波頻率設(shè)為500 Hz；再次，完成系統(tǒng)示波；最后，利用CRAS振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，用力捶對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行撞擊，通過(guò)粘貼在測(cè)試對(duì)象上的感應(yīng)片把數(shù)據(jù)反饋到信息采集箱里，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)框圖

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)上述對(duì)歐式和北美建筑每組墻體和屋蓋均測(cè)試兩組試驗(yàn)工作，利用式(1)和式(2)測(cè)算其對(duì)數(shù)減幅系數(shù)δ和阻尼比ξ，如圖6所示。

圖6 歐式輕型木結(jié)構(gòu)外墻東的阻尼測(cè)試數(shù)據(jù)(組1)

由圖6得到歐式外墻東(組1)中A1=0.45，A5=0.12，根據(jù)式(1)和式(2)測(cè)算出對(duì)數(shù)減幅系數(shù)δ和阻尼比值ξ。同理，其他墻體依次測(cè)出其A1和An值，見(jiàn)表1。

表1 墻體和屋蓋阻尼比測(cè)算值一覽表

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)上述試驗(yàn)，得出歐式建筑墻體阻尼比值ξ在0.057 5～0.1之間，均值為0.076 4；歐式建筑屋蓋的阻尼比均值ξ為0.037 3；北美式建筑外墻阻尼比均值ξ為0.057 3。兩種建筑墻體的阻尼比值均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[7]。同時(shí)，歐式墻體的阻尼比均值大于北美式墻體，說(shuō)明歐式建筑墻體結(jié)構(gòu)阻尼特性優(yōu)于北美式建筑墻體。在比較歐式建筑外墻不同加速度計(jì)放置位置的測(cè)試中可發(fā)現(xiàn)，位于木龍骨投影截面的加速度計(jì)測(cè)得的阻尼比值高于其他位置值，說(shuō)明木龍骨對(duì)減振作用明顯。根據(jù)墻體不同構(gòu)造而言，歐式墻體比北美式墻體更加復(fù)雜，且多出石膏板等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且木龍骨厚度不同導(dǎo)致兩者阻尼比不同。因石膏板為脆性材料，抗剪強(qiáng)度低，一般在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)。然而，石膏板能使結(jié)構(gòu)的初始剛度明顯增加，對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有明顯影響[8]。顯然，有面層材料的輕型木結(jié)構(gòu)墻體，其阻尼比要明顯比無(wú)面層材料的墻體大，說(shuō)明面層材料(特別是石膏板)參與了結(jié)構(gòu)耗能作用，進(jìn)而影響其阻尼比值。輕型木結(jié)構(gòu)房屋阻尼比測(cè)試值與結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的振動(dòng)幅值有關(guān)，振動(dòng)幅值越大，對(duì)數(shù)減幅系數(shù)δ越大，其阻尼比ξ也越大。另外，從材料層面上看，墻體的阻尼比值明顯高于其屋蓋阻尼比值，說(shuō)明墻體材料在減振方面發(fā)揮了主要作用。

表1中，內(nèi)墻系統(tǒng)的阻尼比均值最大，說(shuō)明內(nèi)墻因起建筑的承重作用，可看出該內(nèi)墻的減振性能是整個(gè)房屋系統(tǒng)里面最好的。本研究的北美式建筑墻體的木龍骨規(guī)格為40 mm×90 mm，歐式墻體木龍骨規(guī)格40 mm×140 mm，歐式的墻體厚度明顯厚于北美式的墻體，顯然符合測(cè)試原理材料影響因素的要求，如圖7、圖8所示。

圖7 歐式墻體和屋蓋數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖8 歐式墻體與北美式墻體數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3 結(jié)論

(1)本研究在測(cè)試阻尼比的試驗(yàn)中依據(jù)振幅對(duì)數(shù)衰減率的時(shí)域法與半功率帶寬頻域法，分別對(duì)建筑同一面墻體或屋蓋采用兩測(cè)點(diǎn)測(cè)試，其結(jié)果準(zhǔn)確、可靠；

(2)歐式輕型木結(jié)構(gòu)建筑的墻體(木龍骨規(guī)格40 mm×140 mm中間填充保溫棉)相比于北美式的墻體(木龍骨規(guī)格40 mm×90 mm中間填充保溫棉)較厚，其阻尼比更大，減振性能更好。墻體的木龍骨在結(jié)構(gòu)抗震層面起到很大作用，可通過(guò)減小木龍骨間距以提升墻體整體減振性能；

(3)同一木結(jié)構(gòu)建筑外墻間的阻尼比值差距不大；而同一建筑內(nèi)墻的阻尼比要大于外墻的阻尼比，內(nèi)墻的減振性能則好于外墻；

(4)歐式輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體的阻尼比值明顯高于其屋蓋阻尼比值。

總之，木結(jié)構(gòu)建筑已被證明是節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑，在全世界范圍內(nèi)已得到了普遍認(rèn)可和大力推廣?；诒狙芯?，筆者將進(jìn)一步研究地震、風(fēng)力、噪聲等環(huán)境激勵(lì)因素對(duì)抗震安居示范建筑的影響，并探究輕型木結(jié)構(gòu)中不同的材料規(guī)格以及不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等各種因素對(duì)阻尼等特性影響，以期為我國(guó)輕型木結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供有益參考。