不同支撑对高层建筑结构振动控制分析.pdf

1 0 2 低温建筑技术 2 0 1 4年第2期 总第 1 8 8 期 不 同支撑对高层建筑结构振动控制分析 杨国栋 山西中条山工程设计研 究有 限公司铜城设计院 。 山西垣 曲0 4 3 7 0 0 【 摘要】 为了研究不同形式支撑对高层建筑结构的振动控制的影响， 文章通过有限元软件 S A P 2 0 0 0 建立 了一个 2 O层的高层框架结构模型， 并以此为基础对结构分别布置中心支撑和偏心支撑， 对其进行了模态分析和地 震响应弹塑性时程分析。通过计算得到基底剪力最大值和动力时程分析结果中结构的顶部位移最大值、 加速度 最大值等数据 ， 并以此来分析不同支撑对高层建筑结构振动控制效果。 【 关键词】 支撑 ； 高层建筑结构； 振动控制； 弹塑性时程分析 【 中图分类号】 T U 9 7 3 ． 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 0 2 0 1 0 2 0 4 近年来高层建筑结构应用越来越广泛， 但随着结 构高度的增大 ， 结构会变柔， 阻尼会变小 ， 在地震作用 下会产生较大的变形。在高层结构 中适 当添加支撑 形成支撑体 系， 就可 以有效地改善 和提高结构 的性 能， 大幅度地减轻结构在地震作用下的反应， 确保其 在强振下 的安全性和舒适性⋯。框架支撑结构体系 是在纯框架结构体系的基础上布置一定数量的支撑， 两种结构协同工作， 能够提供良好的抗震性能拉 。本 文通过有限元方法对布设 中心支撑和偏心支撑的高 层框架支撑结构与纯框架高层结构在地震作用下的 响应进行 比较分析， 探讨不同形式的支撑对高层建筑 结构的控制效果， 为工程应用提供一定的理论依据。 1 有限元计算模型 1 ． 1 原 型结构 本文设计某高层结构模型进行分析。该模型高 8 4 m， 平面尺寸为 3 2 ． 4 m2 1 ． 6 m， 纵向三跨 ， 横 向两 跨 ， 各跨距均为 1 0 ． 8 m。该结构首层层高为 S m， 其它 各层层高均为 4 m， 结构的平面图、 立面图如图 1 所示。 结构材料均为 Q 2 3 5钢 ， 柱构件为方钢管， 梁为 H型 钢。结构第 1 层质量为 2 3 2 t ， 结构第 2层到第 l 9层的 质量均 为 2 5 1 t ， 顶 层 因为 包 括 防水 层 和屋 面 构 造 为 2 8 3 t ， 合计地面和地面 以上的结构 总重为 5 0 3 3 t 。抗 震 没防烈度为8度， 设计基本地震加速度值为 0 ． 2 0 g ， 场 地类别为 Ⅱ类 ， 设计地震分组为第一组， 场地特征周 期 为 0 ． 3 5 s 。 1 ． 2 支撑布置方案 方案 l 2 O层纯框架高层建筑结构 ， 形式如图 2 a 所示 。 方案 2 在 方案 1 结 构的基础 上对 称布 置单 斜杆 中心支 撑 ， 形式如 图 2 b 所示。 方案 3 在方案 1 结构的基础上对称布置单斜杆 偏心支撑， 形式如图2 c 所示。 1 ． 3 材 料特性 d o s 0 o,l o s 0 o 1 1n I 1 ． L 8 一立面 b Y 立面 c 平面 图1实例模型 ／ ＼ a 方案1 b c 方案3 图2 支撑布置方案 高层建筑结构模型的梁、 柱和支撑尺寸参数见表 l 。钢材 型号 为 Q 2 3 5 ， 钢 材 的屈服 强度 2 3 5 N ／ ra m2 ， 极 限强度 4 6 7 ． 8 N ／ m m ， 弹性模量为 2 ． 0 61 0 MP a ， 泊松 比0 ． 3 ， 极 限拉应 变为 0 ． 3 2 9 ； 楼板采用混凝 土结构 ， 厚 杨围栋 不同支撑对高层建筑结构振动控制分析 1 0 3 l O O m m， 混凝土的标号为 C 2 0 。 表 1 基本构件尺寸参数 2模 态分析 所谓模态分析就是通过计算结构的振型及其对 应的自振周期来确定结构动力特性的一种分析方法。 作为结构的一种固有特性， 结构的振型和 自振周期是 反映结构动力特性的重要参数之一， 它们能够反应在 动力荷载作用下结构的动态位移响应、 加速度响应和 速度响应， 是进行结构动力分析的基础。本结构模态 的求解采用 R i t z 向量分析方法。R i t z向量法考虑了动 力荷载的空间分布， 可以为后面时程分析提供更精确 的振型依据。采用 S A P 2 0 0 0软件首先对结构进行了 模态分析， 从而得到了三种结构方案的前十阶振型的 自振周期， 结果见表2 。 表 2 结构的前十阶自振周期 s 阶数 方案 1 方案2 方案3阶数 方案 1 方案2 方案3 由表 2可知， 结构的 自振周期与高层结构的布置 方案密切相关， 随着结构抗侧刚度的增大， 结构的自 振周期相应减小， 其中布置中心支撑方案 2的高层结 构的刚度最大， 自振周期最小； 布置偏心支撑方案的 高层结构的刚度次之， 自振周期要比方案 2大； 方案 1 纯框架高层结构在三种方案中刚度最小， 自振周期就 最大。说明各种形式的支撑钢框架对高层结构 的抗 侧能力都是有利的， 使得结构的整体刚度大大增加。 3时程分析 结构的地震反应的时程分析方法， 是一种动力计 算方法 ， 用地震地面加速度时程作为输 入， 计算得到 结构随时间变化的地震反应。时程分析方法既考虑 了地震动的振幅、 频率和持续时间三要素， 又考虑了 结构的动力特性， 能 比较真实的描述结构地震反应的 全过程。时程分析的目的是对各种高层结构控制方 案在地震激励作用下的响应进行比较分析， 比较两种 支撑形式的控制效果。 时程分析方法建立在动力方程的基础上 ， 动力平 衡方程形式如下 M五 t c u f K u t F t 式中， t 为时间； 为刚度矩阵； C为阻尼矩阵； 为 一 对角质量矩阵 ； n为结构的位移。 本文选择 Ⅱ类场地土的地震记录 E l c e n t r o波和兰 州波， 对结构进行地震作用下的时程分析。 3 。 1 地震作用下的响应分析 输人 E l c e n t r o 波和兰州波， 对实例模型进行地震 作用下的响应分析， 观察模型的三种方案在 8度基本 地震激励 0 ． 2 0 g 下的顶部位移和加速度控制效果。 实例模型地震响应的顶部位移、 加速度的峰值及控制 效果见表 3 ， 顶部位移、 加速度时程曲线见图 3 一图 6 。 表 3 实例模型地震响应的顶部位移、 加速度峰值及控制效果 2 O 谗’ 4 ’ 6 - 8 一 l 0 0 2 4 6 81 01 21 4 1 61 8∞ 笠 2 4 摆 3 0 慨 图3 E l c e n t r o 波作用下实例模型顶层位移时程 曲线 2 0 10 1 5 0 1 0 0 g 5 0 京0 垂 二 - 5 0 2 0 O 一 2 5 0 O 2 4 6 81 01 2 1 4 1 61 8 2 02 22 4 2 6 2 8 3 03 2 图4 E l c e n t r o 波作用下实例模型顶层加速度时程曲线 1 0 4 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 2 期 总第 1 8 8 期 2 O g - 2 一 一 6 8 - 1 0 置 曩 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 时 图5 兰州波作用下实侧模型顶层位移时程曲线 临 图6 兰州波作用下实例模型顶层加速度时程曲线 由上述图表可看出， 在对实例模 型的三种方案地 震响应比较后可知 1 E l c e n t r o波激励下布置中心支撑的方案 2 顶部位移峰值为 5 ． 7 3 c m， 与纯框架高层结构的方案 1 相 比， 控制效果为 4 0 ． 3 ％， 布置偏心支撑的方案 3顶 部位移峰值为 6 ． 4 2 c m， 控制效果为3 3 ． 1 ％。兰州波激 励下布置中心支撑的方案2顶部位移峰值为 1 ． 7 1 c m， 与纯框 架 高层 结 构 的方 案 1相 比， 控 制 效果 为 4 6 ． 4 ％， 布 置偏 心支撑 的 方案 3顶部 位移 峰值 为 2 ． 0 4 c m， 控制效果为 3 6 ． 1 ％。兰州波激励下的顶层位 移响应控制效果均要好于 E l c e n t r o 波激励下的控制效 果。在两种不同地震激励作用下， 布置中心支撑的方 案 2顶层位移响应的控制效果均要优于布置偏心支撑 的方案 3 。这是 由于支撑框架对结构抗侧能力 的贡 献， 使得高层建筑结构的抗侧刚度大大提高， 有效的 控制了地震作用下结构顶部的位移响应。 2 E l c e n t r o波激励下布置 中心支撑的方案 2 顶部加速度峰值为 1 0 3 ． 5 0 c m ／ m ， 与纯框架高层结构 的方案 1 相 比， 控制效果为 3 9 ． 7 ％ ， 布置偏心支撑的 方案 3 顶部加速度峰值为 1 1 9 ． 1 4 c m ／ m 2 ， 控制效果为 3 0 ． 6 ％。兰州波激励下布置中心支撑的方案 2顶部加 速度峰值为 1 3 9 ． 9 7 c m ／ m 2 ， 与纯框架高层结构的方案 1 相比， 控制效果为4 1 ． 7 ％， 布置偏心支撑的方案 3 顶 部加速度峰值为 1 6 5 ． 3 3 c m ／ m ， 控制效果为 3 1 ． 1 ％。 兰州波激励下的顶层加速度响应控制效果均要好于 E l c e n t r o 波激励下的控制效果。在两种不同地震激励 作用下， 布置中心支撑的方案 2顶层加速度响应的控 制效果均要 由于布置偏心 支撑 的方案 3 。这是 由于支 撑框架提高了结构的抗侧刚度， 有效的控制了地震作 用下结构顶部的加速度响应。 3 ． 2 基底剪力时程分析 结构基底剪力是衡量结构性能的一个重要指标。 表4给出了三种结构在两种不同地震激励作用下基底 剪力的最大值。由表 4可知， E l c e n t r o波作用下， 三种 结构的基底剪力最大值分别为 3 9 8 9 ． 3 8 、 1 1 8 7 8 ． 6 3和 1 0 0 2 3 ． 1 8 k N； 兰州波作用下， 两种结构的基底剪力最 大值分别为 2 9 3 1 ． 7 1 、 8 9 0 1 ． 2 6和7 8 9 1 ． 4 3 k N。综上， 布 置支撑的方案 2 , 3在两种不同地震激励作用下的基底 剪力最大值均大于纯框架高层结构的方案 1 ， 而且布 置中心支撑的方案 2的基底剪力要大于布置偏心支撑 的方案 3的。这说明支撑框架能够有效的提高高层框 架结构的抗侧刚度， 使得结构在地震作用下承担的水 平剪力加大。 表 4 基底 剪力最大值 k N 4结 语 1 布置支撑的高层结构的自振周期较纯框架 高层结构的要小些， 这是由于支撑框架的刚度对高层 框架结构的抗侧能力是有利的， 使得结构的整体刚度 大大增加。 2 与方案 1相比， 在两种不同地震激励作用 下高层支撑结构 的顶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 ， 这说明在多遇 地震作用下支撑框架由于平面内具有较大的刚度 ， 能 够耗散大部分地震能量， 这对高层框架结构的抗震性 能是有利的。 3 两种支撑方案相比， 在两种不同地震激励 作用下布置中心支撑方案 2的振动控制效果要优于布 置偏心支撑的方案 3 ， 这是由于布置中心支撑的方案 2 的抗侧刚度大， 对高层框架结构的振动控制效果要好。 4 在罕遇地震作用下 ， 支撑作为弯曲构件 ， 是 抗震设防的第一道防线 ， 首当其冲， 以自身 的破坏来 耗散地震 中的大部分能量 ， 可减小结构的层问位移， 框架是抗震设 防的第二道防线， 两者协同工作， 大大 提高了高层框架结构的抗震性能。 本文分析和计算表明， 支撑可以很好地控制高层 建筑结构的振动， 对于减少结构 的地震响应、 提高结 构的抗震性能非常有效。因此将支撑运用 到土木工 程高层建筑结构的设计中是未来防灾减灾一个重要 的研究方 向， 也是一 种 比较 理想 的选择 。但 在 实际工 程中， 选择什么样的支撑形式 ， 还有待进一步研究。 夏少华 多跨刚构桥动力特性及地震响应分析 1 0 5 多跨刚构桥动力特性及地 震响应 夏少华 J ll 市市政设计研究院有 限公司 ． 广东深圳5 1 8 0 2 9 分析 【 摘要】 以宝汉高速涧13 河六跨变截面大跨径连续刚构桥为例， 借助于 目 前常用的 M i d a s 软件， 对大跨径 6 跨变截面连续刚构桥的 自 振特性进行分析， 了解此类结构的 自 振特点。通过动力时程分析法， 对连续刚构桥进 行纵向、 横向、 竖向的地震响应分析 ， 以便在大跨度连续刚构桥设计及施工时， 重点关注纵桥向的动力响应， 由此 对工程实践有一定借鉴作用。 【 关键词】 连续刚构桥 ； 动力特性； 时程分析； 地震响应 【 中图分类号】 3 1 1 ． 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 o 2 0 1 0 5一 O 3 MUTI s P AN PRES T RE S S E D CoNTI NUoUS RI GI D FRAM-E BRⅡ GE DYNAM I C P R0lPE RTI ES AND S EI S M l C RES P oNS E ANALYS l S XI A S ha o h ua S h e n z h e n Mu n i c i p a l D e s i g nR e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， G u a n g d o n g S h e n z h e n 5 1 8 0 2 9， C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g s i x s p a n c o n t i n u o u s ri g i d f r a me b ri d g e f o r e x a mp l e w h i c h b e l o n g t o Ba o Ha n h i g h s p r e e d J i a n k o u h e， wi t h t h e h e l p o f l a r g e s c a l e g e n e r a l p u r p o s e fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e Mi d a s ， we s t u d i e d t h e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f i t s s t r u c t u r e ． B y u s i n g d y n a mi c t i me h i s t o r y a n a l y s i s o f the f u l l b ri d g e s e i s mi c r e s p o n s e i n t h r e e d i rec t i o n s w h i c h i n the l o n g i t u d i n a l ， c r o s s r a n g e a n d v e r t i c a l ， f o r ri g i d f r a me b r i d g e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n， w e c o u l d f o c u s o n t h e d y n am i c res p o n s e o f l o n g i t u d i n al b ri d g e ． T h a t h a d a r e f e r - e n c e t o e n gi n e e ri n g p r a c t i c e ． Ke y w o r d s c o n t i n u o u s ri gi d f r a m e b r i d g e ； d y n a m i c p r o p e r t i e s ； a n a l y s i s i n t i m e d o m a i n ；s e i s m i c r e s p o n s e 0引言 大跨度预应力混凝土连续刚构桥在 目前 的国内 市场上占据重要的份额， 从南方到北方 ， 此类桥型均 可以适应。其施工可采用悬臂浇筑施工、 悬臂拼装施 工等施工方式 ， 使得此类桥行可以适用到各种地质条 件。墩梁固结体系， 中支点没有大型支座， 可以使得 行车更为平顺。支点负弯矩大于中跨正弯矩， 可以适 应配筋上的合理性。从而可使得其跨越能力大、 整体 性能强、 施工便利等诸多有点⋯。宝汉高速公路上的 涧口河特大桥起点桩号为 K 7 8 2 7 5 ． 0 0 ， 终点桩号为 K 7 9 3 9 3 ． 0 0 。桥梁全长 1 1 1 8 m， 最大桥高 1 1 8 m， 主桥 最大墩高 1 0 8 m。主桥上部结构为 8 5 4 X 1 6 0 8 5 m的预应力混凝土连续刚构。每幅主梁为单箱单室箱 梁， 箱梁采用变截面， 梁高和底板厚度均按抛物线渐 变。混凝土强度等级为 C 5 0 ， 如 图 1 所示。 图1总体布置图 o● oo ●o o● 00● o0 ． 。。● o0● o㈨o● o o． o0● o o． 00． oo● 。0． Ⅲo0 ●oo ● 00 ．00 ● 0o● 0o ●o 0● o0 ●oo ● oo● o0 ．0 o● 0o● oo ●o ⋯o● o0 ● o0． ao ●Ⅲ0o● 0o ●o o● 0o● 00 ●o 0● 0o ●0 0● o0● o0 ●o [ 2 】 [ 3 ] 方鄂华， 钱稼茹 ． 高层建筑结构设计[ M ] ． 北京 中国建筑工 参考文献 业出 版社 ，2 0 0 8 ． 闫亚光， 史三元， 郑建新 ． 应用 S M A拉索的商层建筑结构振 动控制研究[ J ] ． 山西建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 1 21 5 ． 史三元， 陈志杰， 王风春．不同形式支撑对多层轻钢结构抗震 性能的对比分析[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 1 2 ， 4 2 3 2 6 ． [ 收稿日期] 2 0 1 3一 l O 一 2 4 【 作者简介] 杨国栋 1 9 7 2 一 ， 男 ， 山西运城人， 工程师 ， 从事结构 设计工作。