混凝土石膏复合墙板试点工程动力特性测试与分析.pdf

第 3 7卷 第 1 1 期 建筑结构 2 0 0 7年 1 1 月 混凝土石膏复合墙板试点工程动力特性测试与分析 * 姜忻良 张 宇 许 岩 ( 天 津大 学建 筑工 程学 院3 0 0 0 7 2 ) 提要】 通过实测复合墙板试点工程结构的动力反应 ， 获得了结构的 自振频率 、 振型和阻尼 比等模态参数。 提出一种适用于工程界广泛采用的 S A T WE建模的材料等效简化方法。采用此方法对试点工程进行的分析计 算表 明 ， 计算 和实测 的基 本振 型吻合 较好 。对 结构 进行 的地震 反应 分析 结果 表 明 ， 结 构抗震 性 能 良好 。 关 键词 】 混凝 土石 膏复合 墙板动 力特 性有限元地 震反 应 F i n i t e El e me n t An a l y s i s a n d Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c T e s t f o r Ty p i c a l S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g o f Ra p i d W a l l S y s t e m J i a n g X i n l i a n g ，Z h a n g Y u ，X u Y a n( C i v i l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t rac t ： T h e n a t u r a l f r e q u e n c y ，mo d a l s h a p e a n d mo d a l d a mp i n g r a t i o o f t h e t y p i c a l s t r u c t u r a l o f c o mp o s i t e w a l l b o a r d( rap i d w a l 1 )s y s t e m a r e g o t b y d y n a mi c b e h a v i o r m e a s u r e m e n t A m e t h o d t o s i m p l i f y t h e c o m p o s i t e w a l l b o a r d t o t h e e q u i v al e n t i s b r o u g h t o u t f o r e s t a b l i s h i n g t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l i n S A T WE，w h i c h i s wi d e l y u s e d i n e n gin e e r i n g d e s i g nUs i n g t h i s me t h o d，t he a n aly s i s an d c a l c u l a t i o n r es u l t s f o r t h e t y pi c al s t ru c t u r e i n d i c a t e t h a t t h e r e s u l t s o f p rac t i c al me a s u r e me n t a b o u t t h e f u n d a me n t a l mo da l a c c o r d wi t h t h e c o mpu t a t i o n a l o n e s b a s i c a l l yF i n a l l y，t h e a n t i s e i s mi c c a pa b i l i t y o f t hi s s t ruc t ur e i s pr o v e d t o b e e x c e l l e nc e by s e i s mi c r e s p on s e a n a l y s i s Ke y wo r ds： c o n c r e t e g y ps um c omp o s i t e wa l l ；d y n a mi c c h a rac t e ris t i c；fin i t e e l e me n t ；s e i s mi c r e s p o n s e 0 引 言 混凝土石 膏复 合墙 板 ( R a p i d Wa l 1 ) 为澳 大 利亚 速 成建筑有 限公 司( R B S ) 开发的专利产品 ， 其墙体截 面如 图 1所示。 目前针对 复合 墙板 的研 究 ， 主要 是板材 的 抗剪性能 、 破坏特征 ， 以及正常设计 时纵 墙与横墙 在低 周反复荷载作用 下 的动力性 能 、 纵 横墙 交接处 的破 坏 特征 。但对实体结构在地震作用下 的动 力反应 尚未 做 出研究 ， 而测定和分析这类结构 的动 态特性 ， 是进行 抗 震研究的重要基础 。 采用脉动方法 ， 通 过实 测位 于天津 地 区 的该 结 构 体系试点工程的动力特性 ， 获得 了结构 的 自振频率 、 振 型和阻尼 比等重 要参 数。同时 ， 为 了便 于 工程技 术人 员的实际使用 ， 还提 出了一种适用于 S A T WE软件 的材 料等效简化的有效方法 。 1 试点工程动 力特性 测试 1 1工 程 概 况 该试 点工程 为 6层 住宅楼 ， 是 R B S墙 体建筑 体系 研究与应用项 目的试 验工程 ， 位 于天津 市南 开 区芥 园 道康华里 。建筑纵 向长 2 9 1 6 m， 横 向长 1 3 1 4 m。层 高 2 9 m， 室外标 高 一 0 6 m， 屋面形式为坡屋顶 。底层 和楼 梯 间墙为双层 墙板 ， 其 余各 层墙 采用单 层墙 板 。楼 面 为厚 1 2 0 m m现 浇钢 筋 混凝 土楼 板 。楼 梯 为钢 筋 混凝 土板式 楼梯 ， 混凝 土栏 板 。工程按 7度 抗震 设 防。结 构标准层平 面及剖 面如图 2 所示 。 图 1 复合墙体截面与等效过程示意图 1 2测点布置 和数据采集 为量测结 构纵 、 横 两个方向的平移振动 ， 将传感 器 布置在每层平 面的几何 中心 处 ( 轴 中心 ) ， 各布置 两 个水平振动测 点 ， 测量 结构 沿长 轴和短 轴方 向 的模 态 参 数。具 体布置 如图 2所示 。为 了避 免外界过 多的干 扰 噪声 ， 试验在深夜进行 ， 共进行 了 1 0次数据采集。 1 3数据分析与测试结果 在数据分析之 前 ， 通 过对采 集到 的数 据进行 规定 性的检验 ， 认为测 量采集 的数 据信 号是各 态历 经的平 稳随机信号 ， 基本符合正态分布 ， 且各个测 点之间具有 良好 的相关性 。根 据 自谱或互 谱 的峰值 分布 ， 通 过判 断相干函数 的取值 是否 接近 于 1 ， 可 以识 别结 构 的 主 要模态频率 ， 结果见表 1 。 *国家 自然科 学基金资助项 目( 5 0 5 7 8 1 1 0 ) 。 维普资讯 http:/ 1 L 0 平移振动测点 ( a ) 结 构平面图 ( b )剖面 1 1 图 2 结构平面图及测点布置示意 结构 ， Y方 向的 自振 测试 结果 表 1 自振频率 第一阶频 率阻尼 比( ) 测点位置 方向 Y方 向 方向 Y方向 底层地 面 2 6 8 0 6 2 8 5 3 2 7 3 7 6 6 l 层 2楼板 2 6 7 6 8 2 8 5 3 4 6 3 2 5 0 9 层 3楼板 2 6 7 7 8 2 8 5 3 2 6 0 9 4 9 2 层 4楼板 2 6 7 9 2 2 8 5 3 7 5 5 2 5 9 4 层 5楼板 2 6 7 9 6 2 8 5 3 5 5 9 8 4 8 6 层 6楼板 2 6 7 9 7 2 8 5 3 6 5 9 6 4 8 9 层 6楼顶 2 6 7 9 9 2 8 5 3 7 5 8 9 5 3 8 平 均 2 6 7 9 l 2 8 5 3 5 6 1 6 5 3 8 在确定模态 频率 之后 ， 用 不同测点 在模态 频率 处 自谱或互谱 的比值并结合互谱或 传递 函数 给 出的相位 信息 ， 可 以识别结构的振型( 见图 3 ) 。 在与各阶模态频率对 应的 自谱峰值处用半 功率半 带宽法求得结构在该模态频率下 的阻尼 比 ， 见表 1 。 2 计算模型及结果分析 2 1复合墙板 的等效处理 中国建筑科学研究 院开发 的空 间有 限元分 析软件 S A T WE在工程界有着广泛 的应用 ， 为 此提 出一种 复合 墙板 等效模 型 ， 以适应 S A T WE的模型输入要求 。 等效处理的思 路是将 一定长 度 的复合墙 板 ， 通 过 等效处理 ， 用 同样长度的混凝土墙板来 代替 ， 保 证等效 前后墙体的抗侧刚度不变 。同时考虑实际工程 的易用 性 ， 给 出一般的等效计算式 。等效过程 遵循 以下假设 ： 石膏板和混凝土 芯柱在 受力 时发生微 小变形 ， 两种 材 芯 柱 的长度 为 f ， 则混 凝 土部分 自身的惯性矩为 ， l l 2 ( a ) 向 ( b ) Y 向 图3 结构 ， Y 方向第一阶振型 ： b 1 1 1 2 ， 横截面积 A 1 ：b f 1 ； 石膏部分 自身的惯性 矩为 ， 2 ：( b l 。一b 1 f ) 1 2 ， 面积为 A 2：b l b 1 f 1 。设混 凝土 、 石膏板 和等效后板 的弹性模 量分别 为 E ， E 。和 E ， 等效后 的混 凝土 板 的厚度 为 b 。则 复合墙 体 中混 凝土芯柱对 轴的惯性矩为 ： ， ： ， l+2 ( ， l+A 1 f )+ ( ， 1+Al mf ) ： ( 2 m +1 ) ， t+2 At f ( 1 +2 + m ) ： n l 1+ A 1 f m( t l, +1 ) 6 ( 1 ) 复合墙体中石膏部 分对 轴 的惯性矩 为 ： ， 。 = ， 2+2 ( ， 2+A 2 f )+( ， 2+A 2 mf ) ： n l 2+A 2 f m( t l, + 1 ) 6 ( 2 ) 由等效公式得 ： E ， + Ep ， p： E l： b 0 L E 1 2 ( 3 ) 由于 S A T WE程序要求输入混凝 土等级 ， 故取等效 后墙板所用的混 凝土 和芯柱 的混凝 土强 度等 级一致 ， 即 E：E 。 将式( 1 ) ， ( 2 ) 代入式( 3 ) ， 设 ： E p E = Ep E ， ： f I Z ， 得 ： 6 0： + b l 1 3 ( 1 )一 ( 1 ) ( 1一 )( 4 ) 式( 4 ) 即为复合墙板等效后的厚度计算 式 ， 公 式 的最后 一 项包含所选取 的等效 墙体 长度 的影 响 因素 ， 其数值 非 常小 ， 且考虑到工程分析的简单易行 ， 可忽略不计 。 考虑在实际工 程应用 中， 复合 墙板 中石 膏 与混凝 土两种材料在共 同工作 时 的相互结 合 问题 ， 以及 在施 工过程 中不可避 免 的混 凝土分 布不 均匀 的问题 ， 都会 导致墙体的刚度 相对理论 值会 有不 同程度 的降低 ， 故 引入折减 系数 ( 1 ) 来反映上述影响 ， 经计 算验证 ， 可取 0 9 。则 b 0表示为 ： b 0： +b l ( 1 ) ( 5 ) 这样等效简化的一 个直接结果是 使得等效后 的墙 体的面外 刚度 和复 合 墙 体 不 再 保 持 一 致 。而且 ， 从 S A T WE分析 的单元理论来 看 ， 用 来模 拟剪力 墙 的 4节 点等参薄壳单元 是平 面应 力膜 单元和平板弯 曲单元 凝 聚而成 的 ， 每个 节点具有空间全 部 6个 自由度 ， 这样使 得这种计算单元 不仅具 有墙 所在 平面 内的刚度 ， 也考 虑 了平 面外刚度 。 文 1 在考 察剪力 墙 面外刚 度对整 体结 构计算 结 果 的影响时得出 ， 对于耦合较强的剪力墙结构 ， 如果 按 照刚性 楼板假 设计算 ， 剪力 墙 面外弯 曲刚度对 整个结 构的刚度影响很小 ， 即使 忽略其影 响 ， 其计 算结果也 完 全可满足工程计算 的精度要求。 2 2计算结果分析 采用上述 等效模 型 ， 用 S A T WE软件对 典型工程进 维普资讯 http:/ 行分析计算 。计算 时 ， 将墙体 等效 前后 因厚 度和 容重 变化引起 的质量 损失 作 为墙 体永 久 荷 载施 加 于墙 体 上 ； 阁楼层因质量 和刚度 较小 ， 不单独 作 为一层 考虑 ， 将其重量折算 成荷 载加在 模型 的屋 顶处 ； 首层计 算 高 度从基础顶面算起 ； 楼板采用“ 平面 内无限 刚” 假设 ； 采 用振型分解反应谱法对结构进行地震反应 分析 。有 限 元模型 ， Y方 向的第一 阶 自振周期和振 型曲线如表 2 所 示 。 结构 x。 Y方 向第一振 型频 率计 算与 实测 结果表 2 自振周期 实测值( s ) 计算值 ( s ) 误差( ) 方向 0 ， 3 7 3 2 O 3 1 4 3 1 5 8 Y方 向 0 3 5 0 4 0 1 7 3 2 5 0 6 由计算 结果 与实测 值 比较 可 以看 出， 方 向的第 一 振 型 的 计 算 结 果 和 实 测 值 吻 合 较 好 ， 其 误 差 为 1 5 8 ； 而 Y方 向的则有一定差距 。计 算结果 表明 ， 结 构振动的主要反应在 方 向( 结构 长轴 方向 ) ， 分 析其 原 因在于 ， 纵 向墙体 虽然 长度 较大 ， 但 开洞 较多 ， 对其 刚度的削弱作用 明显 ， 而横 向墙体 数量较 多 ， 使得 整体 刚度 比纵 向要 高一些 ， 这 与现场 动力测 试 的结果 是吻 合的。 使用振 型分 解反应 谱法 分析 结构 的地震 反应 时 ， 在考虑扭转耦 联 的情 况下 ， 程序 采用 的是完 全二 次振 型组合法 ( C Q C法 ) 来计算地震作 用效应 。地震作 用下 楼层 的变形 结果见 表 3 。 反应谱 法计 算的地 震作 用下 结构 的楼层 位移 表 3 方 向地震作用 y方 向地震作用 楼层 楼层最大 层间位 楼层最大 层 间位 位移( i n l n ) 移角 位移 ( m m) 移 角 6 4 2 3 1 4 7 9 7 1 2 2 1 1 4 5 o o 5 3 6 3 1 3 9 9 3 1 O 2 1 1 3 1 8 2 4 2 9 0 1 3 5 8 3 0 8 0 1 1 2 6 o 9 3 2 0 9 1 3 4 8 7 O 5 8 1 1 3 1 8 2 2 1 2 6 1 3 8 9 4 0 3 6 1 1 5 2 6 3 1 O 5 2 1 8 5 3 0 O 1 7 1 2 5 8 8 2 由反应谱 法计 算 的结果 可 以看 出 ， 方 向 的地震 反应较 Y方 向要 显 著 得 多 ， 顶 层 处 的最 大 位 移 达 到 4 2 3 m m， 最大 的层位移角为 1 3 4 8 7 ， 满足抗震设计规范 要求 。变形 以弯曲变形 为主。 最后 ， 以 方 向的计算 结果 为例 ， 比较复合 墙板结 构和纯剪力墙结 构在 结构 位移 和剪 力方面 的差 异 ， 结 果如 图 4所示 。 3 结 论 ( 1 ) 测试 结果符合正态分布 ， 且测点 之间具有 良好 的相关性 ， 结果可靠 。 ( 2 ) 研究分析表 明， 复合墙板结构 方 向第 一周期 0 l 2 3 4 楼层平 均位移 0 n m) 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 楼层剪力 ( k N) 图 4 方 向地震作用下两种结构的位移与内力比较 0 3 7 3 2 s 与阻尼 比 0 0 6 2均 大 于 同尺 寸 的纯 剪 力墙 结 构 ， 说 明复 合 墙板 结 构与 纯 剪 力墙 结 构相 比， 刚度 降 低 ， 阻尼增加 ， 在 满足 侧 向位移 的条件 下 ， 可减 小地 震 产生 的内力。 ( 3 ) 提出的等 效连 续方法 适用 于工 程技术 人员 广 泛采用 的 S A T WE软件 的输 入模式和数据要求 ， 为该复 合墙板结 构体系的实际应 用提供了有效的途径。 参 考 文 献 1 孙 树立， 陈璞 ， 袁 明武 剪力墙的面外刚度 对建筑结构计算 的影 响 J 计算力学学报 ， 1 9 9 9 ， 1 6 ( 4 ) ： 4 2 1 4 2 7 2 徐建 ，建筑 震动 工程 手 册 M 北 京 ： 中国 建筑 工业 出版社 ， 2 0 01 3 应 怀樵波形和频谱分析与随机数据处理 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 8 5 4 李 黎， 邬传宇 建筑结构动力特性动点脉动测试 J 实验力学 ， 1 9 9 8 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 5 5 1 6 1 5 宋焕成等 混杂纤维复合材料 M 北京航空航 天大学出版社 ， 1 9 8 9 6 中国建筑科学研究 院 P K P M C A D工程部 空 间组 合结构有限元 分析软件 S A T WE软件使用说明 结构 工程师世界大会召开 结构工程师世界大会 ( S E WC 一 2 0 0 7 ) 于 1 1 月 2日 7日在 印度班加罗尔召开 。该会 由美 国土木 工程 师学会 等单 位发 起 ， 第一届于 1 9 9 8年在美 国旧金 山召开 ， 第二届于 2 0 0 2年在 日本横 滨召开 ， 本次会议 为第三 届。每届都有众多来 自世界 各地 的结构工程 师们参会。 会议 安排每天上午为大会主 旨发言 ， 被邀请的发言 人不 少是 空间结构 领域 的知名 人士 ， 如美 国的 J A b e l ， H B e r g e r ， 德 国的 J S c h l a i c h ， E R a m m， 日本 的川 口卫等。其他如混凝土 设计 的美 国 Z P B a z a n t ， 抗震 设计 的美 国 S K G h o s h ， 新西 兰 的 M P r i e s t l e y也都在 发言 之列 。下 午 则是 分组邀 请 发言 与 论 文 交 流 。 大会在号称“ 印度硅谷” 和花园城市的斑加罗尔举行 ， 同 时还举办“ 印度国际建筑博览会” ， 与会者不但能了解与交流 当前国际结构工程 的技术 与工程 问题 ， 也能借此探 讨今后的 发展动 向。 1 1 3 6 5 4 3 2 l 蹬 6 5 4 3 2 l 0 维普资讯 http:/