建筑結構振動控制分析范文

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1模態分析

所謂模態分析就是通過計算結構的振型及其對應的自振周期來確定結構動力特性的一種分析方法。作為結構的一種固有特性，結構的振型和自振周期是反映結構動力特性的重要參數之一，它們能夠反應在動力荷載作用下結構的動態位移響應、加速度響應和速度響應，是進行結構動力分析的基礎。本結構模態的求解采用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。采用SAP2000軟件首先對結構進行了模態分析，從而得到了三種結構方案的前十階振型的自振周期，結果見表2。由表2可知，結構的自振周期與高層結構的布置方案密切相關，隨著結構抗側剛度的增大，結構的自振周期相應減小，其中布置中心支撐方案2的高層結構的剛度最大，自振周期最小;布置偏心支撐方案的高層結構的剛度次之，自振周期要比方案2大;方案1純框架高層結構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構的抗側能力都是有利的，使得結構的整體剛度大大增加。

2時程分析

結構的地震反應的時程分析方法，是一種動力計算方法，用地震地面加速度時程作為輸入，計算得到結構隨時間變化的地震反應。時程分析方法既考慮了地震動的振幅、頻率和持續時間三要素，又考慮了結構的動力特性，能比較真實的描述結構地震反應的全過程。時程分析的目的是對各種高層結構控制案在地震激勵作用下的響應進行比較分析，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為一對角質量矩陣;u為結構的位移。本文選擇Ⅱ類場地土的地震記錄Elcentro波和蘭州波，對結構進行地震作用下的時程分析。

2.1地震作用下的響應分析輸入Elcentro波和蘭州波，對實例模型進行地震作用下的響應分析，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，與純框架高層結構的方案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，與純框架高層結構的方案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頂層位移響應的控制效果均要優于布置偏心支撐的方案3。這是由于支撐框架對結構抗側能力的貢獻，使得高層建筑結構的抗側剛度大大提高，有效的控制了地震作用下結構頂部的位移響應。(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，與純框架高層結構的方案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，與純框架高層結構的方案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構的抗側剛度，有效的控制了地震作用下結構頂部的加速度響應。

2.2基底剪力時程分析結構基底剪力是衡量結構性能的一個重要指標。表4給出了三種結構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，三種結構的基底剪力最大值分別為3989.38、11878.63和10023.18kN;蘭州波作用下，兩種結構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構的方案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構的抗側剛度，使得結構在地震作用下承擔的水平剪力加大。

3結語

(1)布置支撐的高層結構的自振周期較純框架高層結構的要小些，這是由于支撐框架的剛度對高層框架結構的抗側能力是有利的，使得結構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構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，這對高層框架結構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的抗側剛度大，對高層框架結構的振動控制效果要好。(4)在罕遇地震作用下，支撐作為彎曲構件，是抗震設防的第一道防線，首當其沖，以自身的破壞來耗散地震中的大部分能量，可減小結構的層間位移，框架是抗震設防的第二道防線，兩者協同工作，大大提高了高層框架結構的抗震性能。本文分析和計算表明，支撐可以很好地控制高層建筑結構的振動，對于減少結構的地震響應、提高結構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構的設計中是未來防災減災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，還有待進一步研究。

作者：楊國棟單位：山西中條山工程設計研究有限公司銅城設計院