建筑結(jié)構(gòu)振動控制分析范文

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1模態(tài)分析

所謂模態(tài)分析就是通過計算結(jié)構(gòu)的振型及其對應(yīng)的自振周期來確定結(jié)構(gòu)動力特性的一種分析方法。作為結(jié)構(gòu)的一種固有特性，結(jié)構(gòu)的振型和自振周期是反映結(jié)構(gòu)動力特性的重要參數(shù)之一，它們能夠反應(yīng)在動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)。本結(jié)構(gòu)模態(tài)的求解采用Ritz向量分析方法。Ritz向量法考慮了動力荷載的空間分布，可以為后面時程分析提供更精確的振型依據(jù)。采用SAP2000軟件首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，從而得到了三種結(jié)構(gòu)方案的前十階振型的自振周期，結(jié)果見表2。由表2可知，結(jié)構(gòu)的自振周期與高層結(jié)構(gòu)的布置方案密切相關(guān)，隨著結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的增大，結(jié)構(gòu)的自振周期相應(yīng)減小，其中布置中心支撐方案2的高層結(jié)構(gòu)的剛度最大，自振周期最小;布置偏心支撐方案的高層結(jié)構(gòu)的剛度次之，自振周期要比方案2大;方案1純框架高層結(jié)構(gòu)在三種方案中剛度最小，自振周期就最大。說明各種形式的支撐鋼框架對高層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力都是有利的，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度大大增加。

2時程分析

結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的時程分析方法，是一種動力計算方法，用地震地面加速度時程作為輸入，計算得到結(jié)構(gòu)隨時間變化的地震反應(yīng)。時程分析方法既考慮了地震動的振幅、頻率和持續(xù)時間三要素，又考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性，能比較真實的描述結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過程。時程分析的目的是對各種高層結(jié)構(gòu)控制案在地震激勵作用下的響應(yīng)進(jìn)行比較分析，比較兩種支撐形式的控制效果。時程分析方法建立在動力方程的基礎(chǔ)上，動力平衡方程形式如下:式中，t為時間;K為剛度矩陣;C為阻尼矩陣;M為一對角質(zhì)量矩陣;u為結(jié)構(gòu)的位移。本文選擇Ⅱ類場地土的地震記錄Elcentro波和蘭州波，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的時程分析。

2.1地震作用下的響應(yīng)分析輸入Elcentro波和蘭州波，對實例模型進(jìn)行地震作用下的響應(yīng)分析，觀察模型的三種方案在8度基本地震激勵(0.20g)下的頂部位移和加速度控制效果。實例模型地震響應(yīng)的頂部位移、加速度的峰值及控制效果見表3，頂部位移、加速度時程曲線見圖3～圖6。由上述圖表可看出，在對實例模型的三種方案地震響應(yīng)比較后可知:(1)Elcentro波激勵下布置中心支撐的方案2頂部位移峰值為5.73cm，與純框架高層結(jié)構(gòu)的方案1相比，控制效果為40.3%，布置偏心支撐的方案3頂部位移峰值為6.42cm，控制效果為33.1%。蘭州波激勵下布置中心支撐的方案2頂部位移峰值為1.71cm，與純框架高層結(jié)構(gòu)的方案1相比，控制效果為46.4%，布置偏心支撐的方案3頂部位移峰值為2.04cm，控制效果為36.1%。蘭州波激勵下的頂層位移響應(yīng)控制效果均要好于Elcentro波激勵下的控制效果。在兩種不同地震激勵作用下，布置中心支撐的方案2頂層位移響應(yīng)的控制效果均要優(yōu)于布置偏心支撐的方案3。這是由于支撐框架對結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力的貢獻(xiàn)，使得高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大大提高，有效的控制了地震作用下結(jié)構(gòu)頂部的位移響應(yīng)。(2)Elcentro波激勵下布置中心支撐的方案2頂部加速度峰值為103.50cm/m2，與純框架高層結(jié)構(gòu)的方案1相比，控制效果為39.7%，布置偏心支撐的方案3頂部加速度峰值為119.14cm/m2，控制效果為30.6%。蘭州波激勵下布置中心支撐的方案2頂部加速度峰值為139.97cm/m2，與純框架高層結(jié)構(gòu)的方案1相比，控制效果為41.7%，布置偏心支撐的方案3頂部加速度峰值為165.33cm/m2，控制效果為31.1%。蘭州波激勵下的頂層加速度響應(yīng)控制效果均要好于Elcentro波激勵下的控制效果。在兩種不同地震激勵作用下，布置中心支撐的方案2頂層加速度響應(yīng)的控制效果均要由于布置偏心支撐的方案3。這是由于撐框架提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，有效的控制了地震作用下結(jié)構(gòu)頂部的加速度響應(yīng)。

2.2基底剪力時程分析結(jié)構(gòu)基底剪力是衡量結(jié)構(gòu)性能的一個重要指標(biāo)。表4給出了三種結(jié)構(gòu)在兩種不同地震激勵作用下基底剪力的最大值。由表4可知，Elcentro波作用下，三種結(jié)構(gòu)的基底剪力最大值分別為3989.38、11878.63和10023.18kN;蘭州波作用下，兩種結(jié)構(gòu)的基底剪力最大值分別為2931.71、8901.26和7891.43kN。綜上，布置支撐的方案2、3在兩種不同地震激勵作用下的基底剪力最大值均大于純框架高層結(jié)構(gòu)的方案1，而且布置中心支撐的方案2的基底剪力要大于布置偏心支撐的方案3的。這說明支撐框架能夠有效的提高高層框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使得結(jié)構(gòu)在地震作用下承擔(dān)的水平剪力加大。

3結(jié)語

(1)布置支撐的高層結(jié)構(gòu)的自振周期較純框架高層結(jié)構(gòu)的要小些，這是由于支撐框架的剛度對高層框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力是有利的，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度大大增加。(2)與方案1相比，在兩種不同地震激勵作用下高層支撐結(jié)構(gòu)的頂部最大位移值和最大加速度值均要小些，而基底剪力最大值要大些，這說明在多遇地震作用下支撐框架由于平面內(nèi)具有較大的剛度，能夠耗散大部分地震能量，這對高層框架結(jié)構(gòu)的抗震性能是有利的。(3)兩種支撐方案相比，在兩種不同地震激勵作用下布置中心支撐方案2的振動控制效果要優(yōu)于布置偏心支撐的方案3，這是由于布置中心支撐的方案2的抗側(cè)剛度大，對高層框架結(jié)構(gòu)的振動控制效果要好。(4)在罕遇地震作用下，支撐作為彎曲構(gòu)件，是抗震設(shè)防的第一道防線，首當(dāng)其沖，以自身的破壞來耗散地震中的大部分能量，可減小結(jié)構(gòu)的層間位移，框架是抗震設(shè)防的第二道防線，兩者協(xié)同工作，大大提高了高層框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。本文分析和計算表明，支撐可以很好地控制高層建筑結(jié)構(gòu)的振動，對于減少結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)、提高結(jié)構(gòu)的抗震性能非常有效。因此將支撐運用到土木工程高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中是未來防災(zāi)減災(zāi)一個重要的研究方向，也是一種比較理想的選擇。但在實際工程中，選擇什么樣的支撐形式，還有待進(jìn)一步研究。

作者：楊國棟單位：山西中條山工程設(shè)計研究有限公司銅城設(shè)計院