高层胶合木建筑楼盖结构模态试验及振动舒适性评价.pdf
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1、Vol.44 No.3Mar.2024第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期:2023-05-05基金项目:江苏省现代农业产业单项技术研发项目(CX213049)。第一作者:张栋(),硕士研究生。通信作者:王正(),正高级实验师,博士。引文格式:张栋,张一凡,何宇航,等.高层胶合木建筑楼盖结构模态试验及振动舒适性评价 J.中南林业科技大学学报,2024,44(3):167-178.ZHANG D,ZHANG Y F
2、,HE Y H,et al.Modal test and vibration comfort analysis of high-rise glulam building floor structureJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2024,44(3):167-178.高层胶合木建筑楼盖结构模态试验及 振动舒适性评价张 栋,张一凡,何宇航,王 正(南京林业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 210037)摘 要:【目的】为了更好地满足高层胶合木建筑楼盖结构的住户居住舒适性等客观要求,提出对其合理评价及减
3、振措施与方法。【方法】本文利用瞬态激励法、环境激励法和频谱识别法分别对同一栋 6 层胶合木结构建筑的 A,B,C 三个不同尺寸房屋进行试验模态现场测试研究,对 C 房间楼盖频谱识别法测试的振动特性进行有限元分析,评价了该胶合木结构建筑楼盖的动力特性和整体振动舒适性。【结果】研究结果表明,A 房间楼盖结构的一阶弯曲频率为 27.50 Hz,横向二阶弯曲频率为 34.75 Hz,纵向二阶弯曲频率为 53.25 Hz,一阶扭转频率为 56.25 Hz。该房间楼盖底部的加强筋木横梁增大了楼盖结构的横向刚度,但并未抵消纵向排列的胶合木楼盖所导致的各向异性,其楼盖整体的纵向刚度大于横向刚度;A、B、C 三
4、个房间楼盖结构的基频值分别为 27.5、13 和 18 Hz,均符合自振频率与跨度的关系式要求,频谱识别法与有限元计算模态分析得到的 C 房间一阶固有频率非常相符。【结论】胶合木建筑楼盖结构的木横梁起加强其整体刚性作用,并提高了其居住舒适度。由于木质楼板的各向异性,在其宽度方向上设置加强筋木梁尤其重要。该胶合木建筑楼盖整体上满足建筑固有频率规定的舒适度水平要求,瞬态激励和环境激励方式下的试验模态法、频谱识别法,能够有效应用于木建筑楼盖舒适度的测试,具有现实可靠性。关键词:高层胶合木建筑;楼盖结构;模态试验;动力特性;振动舒适度中图分类号:S781.8 文献标志码:A 文章编号:1673-923
5、X(2024)03-0167-12Modal test and vibration comfort analysis of high-rise glulam building floor structureZHANG Dong,ZHANG Yifan,HE Yuhang,WANG Zheng(College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China)Abstract:【Objective】To better meet the objective re
6、quirements of the living comfort of the residents of the high-rise glulam building floor structure,it is hoped to put forward reasonable use and vibration reduction measures and methods.【Method】In this paper,the transient excitation,environmental excitation and frequency spectrum identification meth
7、ods were used to carry out experimental modal test in-site on the three different sizes rooms numbered A,B and C of the same 6-storey glulam structural building,and the finite element analysis was carried out on the vibration characteristics of the floor of room C tested by spectrum recognition meth
8、od.The dynamic characteristics and overall vibration comfort of the glulam building floor are evaluated.【Result】The research results showed that the first-order bending frequency of the floor structure of room A was 27.50 Hz,the transverse second-order bending frequency was 34.75 Hz,the longitudinal
9、 second-order bending frequency was 53.25 Hz,and the first-order torsional frequency was 56.25 Hz.The stiffened wood beams at the bottom of the floor of room A increased the transverse stiffness of the floor structure,but did not offset the anisotropy caused by the longitudinally installed glulam fl
10、oors,and the overall longitudinal stiffness of the floor was larger than the transverse stiffness.The fundamental frequency values of the floor structures of the three rooms numbered A,B,and C were 27.5,13 and 18 Hz,respectively.They all met the requirements of the relationship between natural frequ
11、ency and span.The frequency spectrum identification method was in good agreement with the first-order natural frequency of room C obtained by finite element modal analysis.【Conclusion】The wooden beams of glued-wood building floor structure play a role in strengthening its overall rigidity and improv
12、ing the living comfort.Because of the anisotropy of wooden floor,it is particularly important to set up reinforced wooden beams in its Doi:10.14067/ki.1673-923x.2024.03.017张 栋,等:高层胶合木建筑楼盖结构模态试验及振动舒适性评价168第 3 期胶合木结构建筑体系作为重型木结构的重要组成部分,与传统钢筋混凝土、砖混建筑结构相比,具有低碳环保和保温性能好等优点。凭借其出色的承载能力,胶合木在现代木结构建筑体系中的用途非常广泛,
13、其克服了轻型木结构建筑高度限制的缺陷,可完全代替传统钢筋混凝土和砖混结构,亦可与钢筋混凝土等混合使用并应用1。随着人们生活水平的日益提升,越来越多的人对建筑振动、隔声与吸声、保温等舒适度提出了更高要求。高层木结构建筑,特别是随着建筑层数的不断增多,其楼盖振动与隔声等问题将面临更大的挑战2。在振动对人体的影响因素中,其振动频率起主要作用。木结构建筑中,楼盖、屋架和墙体为 3 个主要结构系统。其中,楼盖是唯一与居住者有不断身体接触的系统。通常情况下,楼盖振动主要由持续振动和瞬时振动引起3。楼盖的持续振动由人的重复活动所导致。当该周期性荷载与其结构固有频率耦合时,将导致结构的共振现象4。楼盖结构的瞬
14、时振动由非持续荷载所导致,如人的行走或落体冲击,其与结构体系固有的阻尼特性成比例衰减。因此,对楼盖振动的控制关系到建筑整体的适用性。木建筑楼盖结构的振动特性受其刚度、质量、阻尼和楼盖两向运动因素的影响。然而,由于房屋建筑发展趋势是更好地发挥材料效能、更多地减轻重量,其结果常导致建筑的柔度更大而阻尼更小,使楼盖振动的适用性问题变得越来越重要。通常情况下,尽管木建筑楼盖结构系统满足传统均布载荷下挠度标准,使得木建筑楼盖结构内在的静刚度值足以获其满意的振动性能。但是,当其在受到冲击振动时,由于在人的活动等外界动载荷的激励作用下,较易产生显著的结构动力响应。虽然此类动力响应不足以危及建筑结构的使用安全
15、,但是常常带给人们不舒适感,易影响工作环境质量,降低工作效率5。因此,注重研究建筑楼盖结构的振动性能尤为重要。为了更好地满足高层胶合木建筑楼盖结构的住户居住舒适性等客观要求,本研究利用瞬态激励法、环境激励法和频谱识别法分别对同一栋 6层胶合木结构建筑的 A,B,C 三个不同尺寸房间进行试验模态现场测试与分析6,以评价胶合木结构建筑楼盖的动力特性和整体振动舒适性,同时提出合理的使用及减振措施与方法。1 材料与方法1.1 测试对象本研究针对山东鼎驰木业集团研发中心装配式胶合木结构建筑 A,B,C 房间的楼盖结构开展其动力特性研究。其建筑的主要研究对象情况如表 1 所示。width directio
16、n.It can be determined that the glulam building floor overall meets the comfort level requirements specified by the natural frequency of the building.The experimental modal method and frequency spectrum identification method under transient excitation and environmental excitation can be effectively
17、applied to the comfort test of wooden building floors,which has realistic reliability.Keywords:high-rise glulam building;floor structure;modal test;dynamic characteristics;vibration comfort表 1 建筑的主要研究对象情况一览Table 1 The main research object of architecture房间名称Room name房间位置Room location楼盖规格(长 宽 厚)Floor
18、 specification(lengthwidththickness)/mmA 房间 Room A四楼东北角处办公室4 7004 250185B 房间 Room B四楼西侧会议室9 9007 400185C 房间 Room C四楼东侧会议大厅14 80011 000185表 1 中,A、B、C 三个房间与大楼其他房间的主要楼盖结构相同,其不同点为楼盖下方的加强筋木梁的数量和位置布置。A、B、C 房间的楼盖示意图如图 1 所示;结构示意图如图 2 所示。1.2 测试仪器CRAS 振动及动态信号采集分析系统 1 套,主要包括:AZ408 振动信号采集箱 1 台、配套的模态分析软件 MaCras
19、和信号与系统分析软件SsCras,由南京安正软件工程有限公司制造;CA-YD-109B 加速度计 1 只,灵敏度为 2.683 PC/(ms2),测量范围为 0 20 000 Hz,由江苏联能电子技术有限公司制造;941B 拾振器 2 只,其尺寸为636380 mm,质量为 1 kg,中国地震局工程169中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷力学研究所制造。其灵敏度参数如表 2 所示;JF-LC-1003 力锤 1 套,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,由扬州巨丰科技有限公司制造;
20、橡胶锤 1 把(1 kg)等。1.3 测试原理模态是机械及结构的固有振动特性,每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。试验模态分析,即通过试验采集系统输入与输出信号经过参数识别获得结构的模态参数。图 1 胶合木建筑楼盖示意图Fig.1 Schematic diagram of GLT building floor图 2 三种房间楼盖结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the floor structure of three rooms表 2 941B 型拾振器灵敏度因子一览Table 2 List of sensitivity factors of type
21、 941B vibration pickup编号 No.档位 Gear position1加速度灵敏度 Sa Acceleration sensitivity Sa/(Vs2m-1)2小速度灵敏度 Sv1Small velocity sensitivity Sv1/(Vsm-1)3中速度灵敏度 Sv2Medium velocity sensitivity Sv2/(Vsm-1)4大速度灵敏度 Sv3High velocity sensitivity Sv3/(Vsm-1)V190130.302 122.045 32.199 70.662 4V190140.316 722.554 52.356
22、00.672 6A 房间楼盖的模态试验采用锤击法,即加速度计固定响应,力传感器跑点激励的方式;B 房间楼盖的模态试验采用环境激励法,即两台速度计分别固定跑点,环境激励采集信号。经网格划分、参数初步估计、曲线拟合、测量方向处理、约束方程处理、模态振型归一与振型拟合等过程,得到整体楼盖结构的振型及其模态参数。C 房间楼盖采用频谱识别法,橡胶锤激励采集数据,记录该楼盖结构的一阶固有频率。2 研究方法2.1 A 房间楼盖模态试验A 房间的胶合木柱和胶合木梁平面布置张 栋,等:高层胶合木建筑楼盖结构模态试验及振动舒适性评价170第 3 期图 如 图 3 所 示,将 楼 盖 进 行 67 网 格 划 分(
23、600 mm700 mm),测量节点数为 49,见图 4;本模态试验测试系统框图如图 5 所示。本模态试验采用测量点固定和激励点移动的采集方式,见图 6。图 3 A 房间平面布置图Fig.3 Layout plan of room A图 4 A 房间网格划分图Fig.4 Grid division diagram of room A图 5 试验模态分析的测试系统框图Fig.5 Test system block diagram for test modal analysis171中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷图 6 A 房间楼盖结构的振动模态测试现场Fig.6 Vibrat
24、ion modal test site of the floor structure of room A测量时,选择触发方式为负触发,触发通道为力锤通道,以防止人为走动时对 A 房间模态测量工作的误触发。其主要测试过程为:首先,按图 6 进行测试系统连接,将加速度计置于 16 号测点。其次,建立几何模型并设置参数后,用力锤敲击测点进行示波。再次,通过力锤依次敲击各测点,采集相应数据。图 7 和图 8 分别为模态软件参数识别处理和模态振型正交性检验图。2.2 B 房间楼盖模态试验仪器连接如图 5 所示。B 房间的胶合木柱和胶合木梁平面布置图如图 9 所示。对 B 房间楼盖进行网格划分。楼盖四周预
25、留一部分空间便于操作,为使振型显示更加清晰可观。将 B 房间楼盖划分为 810 格,每格尺寸为 900 mm900 mm,共 99 个测点,见图 10。图 7 参数识别处理Fig.7 Parameter identification processing图 8 模态振型正交性检验Fig.8 Mode shape orthogonality test图 9 B 房间平面布置图Fig.9 Layout plan of room B张 栋,等:高层胶合木建筑楼盖结构模态试验及振动舒适性评价172第 3 期B 房间模态试验利用 MaCras 软件进行双通道采集。测试时选取参考点为 50 号测点(B 房
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