CN113536622A - 一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法 - Google Patents

一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，包括如下步骤：通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到楼盖因恒荷引起的楼盖最大位移，计算出自振频率；以频谱图半功率带宽法计算阻尼比，根据阻尼比、荷载频率与自振频率的比值计算得到动力放大系数；根据动力放大系数、荷载角频率、荷载幅值、楼盖刚度计算得到加速度。本发明的方法简单实用，结果准确，对建筑的楼板测试具有实际的指导意义。

Description

一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法
技术领域
本发明涉及园林园艺喷灌装置，尤其涉及一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法。
背景技术
在木结构建筑住宅中，楼盖(楼板)、屋盖和墙体是三个主要结构系统。其中，木楼盖是最常见的结构系统，且是一个与居住者有不时身体接触的系统。木结构建筑楼盖结构的振动频率一般都在8Hz以上，且相对层数低、面积小，通常因固有频率低引起安全问题的事件较少。但是因楼盖结构性能存在的缺陷或不足会给居住者带来不适，其主要原因是人或物品在居住环境中的动力运动所致。如行走、跑步、跳跃、物体坠落等等运动行为，都会造成木楼盖的结构振动。虽然此类动力响应不足以危及建筑结构的使用安全，但常常会给人们带来不舒适感，对生活环境质量有较大的影响，降低人们工作效率和生活质量。
由于木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等的影响。通常情况下，尽管楼盖结构系统满足了传统的均布荷载下挠度标准，使得木楼盖内在的静刚度值足以获其满意的振动性能；但在受到冲击振动时，由于受动荷载的激励作用，楼盖结构将会出现较大的振动，造成居住者的不舒适等问题，影响了人们的生活质量。目前，我国的低层木结构建筑市场已初步形成，但仍然存在许多不足。尽管木结构建筑住宅通过了完工验收环节，但是还可能存在着某些性能方面的问题。如，一栋符合设计规范的木结构建筑仍存有隔声效果差、楼盖振动大等问题，影响了人们居住的舒适度水平，从而使居住者自然对木结构建筑性能产生质疑等。
在我国，现代木结构建筑发展迅猛，如发生上述类似问题将一定程度上影响鉴于此，不断提升我国的木结构建筑技术质量水平乃是发展木结构建筑事业的根本所在。2017年10月1日生效的GB/T51226-2017《多高层木结构建筑技术标准》[12]中明确规定了楼盖结构振动性能指标。由此可见，高层、新兴木结构建筑的楼盖振动性能是木结构业当下关注的重点、研究的热点之一。一般而言，木结构建筑的性能评估体系包括评估指标、评估测试方法和改进标准。木楼盖可当成是一个连续体，其振动频率无数阶，但是人们感兴趣的频率段一般在0-50Hz，其基本固有频率通常在25Hz以下。由于木楼盖结构有其固有的结构动力特性，因此必须根据结构动力学原理和模态理论等，采用切合实际的有限元分析与计算法，并结合现场测试的木楼盖结构的动态振动性能参数进行分析研究。当然，准确测量木建筑住宅楼盖结构如此低的频率、相关的模态阻尼比特性参数不是一件易事。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种方便实用、结果准确的木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法。
技术方案：一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，包括如下步骤：通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到楼盖因恒荷引起的楼盖最大位移，计算出自振频率；以频谱图半功率带宽法计算阻尼比，根据阻尼比、荷载频率与自振频率的比值计算得到动力放大系数；根据动力放大系数、荷载角频率、荷载幅值、楼盖刚度计算得到加速度。
进一步地，单阶荷载下楼盖的峰值加速度表达式为：
Figure BDA0003124178050000021
式中，
Figure BDA0003124178050000022
ap为振动峰值加速度(m/s2)；
Figure BDA0003124178050000023
为荷载角频率(Hz)；μ为动力放大系数；F0为荷载幅值(kN)；k为刚度(N/m)；ξ为荷载频率与自振频率的比值；β为阻尼比；w1为第一阶自振角频率(Hz)；
Figure BDA0003124178050000024
为荷载频率(Hz)；fn为自振频率(Hz)。
进一步地，使用频谱图半功率带宽法计算阻尼比β：
Figure BDA0003124178050000025
Δf＝f2-f1
式中，f1、f2为在频谱图中共振峰值0.707倍与共振曲线上的两个交点数值；f为频谱图上实测的共振频率也就是固有频率；f＜6△f。
进一步地，自振频率fn表达式为：
Figure BDA0003124178050000031
Δ楼盖为楼盖均布恒荷引起的楼盖最大挠度即最大位移(mm)；通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到最大位移Δ楼盖值。
进一步地，楼盖均布荷载w表达式为：
w＝wGk+WQk+Wp
WGk为恒荷载(kN)，wQk为有效均布活荷载(kN)，wp为人的等效均布荷载(kN)，恒荷载指楼盖自重、面层、隔墙、悬挂物和装修，系实际楼盖结构上的荷载；当某项荷载数值很小时，该项荷载可取为0。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：本专利通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到楼盖因恒荷引起的楼盖最大位移，计算出自振频率；以频谱图半功率带宽法计算阻尼比，根据阻尼比、荷载频率与自振频率的比值计算得到动力放大系数；根据动力放大系数、荷载角频率、荷载幅值、楼盖刚度计算得到加速度。本发明的方法简单可靠，结果准确，对建筑的楼板测试具有实际的指导意义。
附图说明
图1为本发明中楼盖均布荷载情况下的位移图；
图2为本发明中楼盖自重引起的位移图；
图3为本发明中频谱图半功率带宽法计算阻尼比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，单阶荷载下楼盖的峰值加速度
Figure BDA0003124178050000032
其中，
Figure BDA0003124178050000033
ap为振动峰值加速度(m/s2)；
Figure BDA0003124178050000035
为荷载圆周频率(Hz)；μ为动力放大系数；F0为荷载幅值(kN)；k为刚度(N/m)；ξ为荷载频率与自振频率的比值；β为阻尼比；w1为第一阶自振圆周频率(Hz)；
Figure BDA0003124178050000034
为荷载频率(Hz)；fn为自振频率(Hz)。
根据频谱图半功率带宽法计算阻尼比β：
Figure BDA0003124178050000041
Δf＝f2-f1
f1、f2为在频谱图中共振峰值0.707倍与共振曲线上的两个交点数值；f-频谱图上实测的共振频率也就是固有频率；f＜6△f。
自振频率fn：
Figure BDA0003124178050000042
Δ楼盖为楼盖均布恒荷引起的楼盖最大挠度即最大位移(mm)；通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到最大位移Δ楼盖值。
楼盖均布荷载w：
w＝wGk+wQk+wp
wGk为恒荷载(kN)，wQk为有效均布活荷载(kN)，wp为人的等效均布荷载(kN)，恒荷载一般指楼盖自重、面层、隔墙、悬挂物和装修等，系实际楼盖结构上的荷载；当某项荷载数值很小时，该项荷载可取为0；
有效均布活荷载指楼盖上随机摆放的家具、电器等物品的均布重量，一般取值如下：
Figure BDA0003124178050000043
当有节奏运动时，人的等效均布活荷载，如下：
Figure BDA0003124178050000044
Figure BDA0003124178050000051
以下对一幢临时木结构住宅建筑的二层楼盖(楼板)进行加速度测试。
实地测量及相关分析，该楼盖自重1828.34N,长度2909mm，宽度2360mm。
该建筑主要用于临时住宅，因此不考虑节奏运动引起的均布活荷载，则有效均布活荷载为0.3kN/m2，则均布荷载标准值为：
Figure BDA0003124178050000052
因此，对楼盖施加均布荷载0.566kN/m2。为了计算均布荷载下的位移与确定集中荷载可能出现的最大位移点，本发明对楼盖施加了均布荷载。通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，为了便于观察变形，隐藏其他构件，如图1所示。
其模拟位移最大位移值为2.2659mm，产生最大点为楼盖的中点。
测试模态试验时，楼盖除自重以外无其他荷载，因此对楼盖施加楼盖自重产生的荷载1828.34N为均布荷载。楼盖在自重均布荷载下的模拟结果如图2所示，其产生的最大位移值为1.0658mm，且产生于楼盖中点。
测试模态时，楼盖荷载仅为楼盖自身荷载，因此计算本身荷载作为均布荷载，模拟楼盖最大挠度值Δ楼盖为1.0658mm，带入式可得自振频率fn：
Figure BDA0003124178050000053
根据图3所示，以频谱图半功率带宽法计算阻尼比β：
Figure BDA0003124178050000054
当荷载频率
Figure BDA0003124178050000055
时，荷载幅值F0＝1kN时，根据
Figure BDA0003124178050000056
可以计算出，楼盖的峰值加速度ap约为400mm/s2。

Claims (5)

1.一种木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到楼盖因恒荷引起的楼盖最大位移，计算出自振频率；以频谱图半功率带宽法计算阻尼比，根据阻尼比、荷载频率与自振频率的比值计算得到动力放大系数；根据动力放大系数、荷载角频率、荷载幅值、楼盖刚度计算得到加速度。
2.根据权利要求1所述的木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，其特征在于，单阶荷载下楼盖的峰值加速度表达式为：
Figure FDA0003124178040000011
式中，
Figure FDA0003124178040000012
ap为振动峰值加速度(m/s2)；
Figure FDA0003124178040000013
为荷载角频率(Hz)；μ为动力放大系数；F0为荷载幅值(kN)；k为刚度(N/m)；ξ为荷载频率与自振频率的比值；β为阻尼比；w1为第一阶自振角频率(Hz)；
Figure FDA0003124178040000014
为荷载频率(Hz)；fn为自振频率(Hz)。
3.根据权利要求2所述的木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，其特征在于，使用频谱图半功率带宽法计算阻尼比β：
Figure FDA0003124178040000015
Δf＝f2-f1
式中，f1、f2为在频谱图中共振峰值0.707倍与共振曲线上的两个交点数值；f为频谱图上实测的共振频率也就是固有频率；f＜6△f。
4.根据权利要求2所述的木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，其特征在于，自振频率fn表达式为：
Figure FDA0003124178040000016
Δ楼盖为楼盖均布恒荷引起的楼盖最大挠度即最大位移(mm)；通过有限元ANSYS软件建立模型，模拟出楼盖在均布荷载下的模态，得到最大位移Δ楼盖值。
5.根据权利要求1所述的木建筑楼盖在单阶载荷激励下的加速度测试方法，其特征在于，楼盖均布荷载w表达式为：
w＝wGk+wQk+wp
wGk为恒荷载(kN)，WQk为有效均布活荷载(kN)，wp为人的等效均布荷载(kN)，恒荷载指楼盖自重、面层、隔墙、悬挂物和装修，系实际楼盖结构上的荷载；当某项荷载数值很小时，该项荷载可取为0。
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Denomination of invention: An Acceleration Testing Method for Wooden Building Floors under Single Order Load Excitation

Granted publication date: 20230721

License type: Common License

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