建筑结构振动控制分析范文

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1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Ritz向量分析方法。Ritz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SAP2000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。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。

2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:式中，t为时间;K为刚度矩阵;C为阻尼矩阵;M为一对角质量矩阵;u为结构的位移。本文选择Ⅱ类场地土的地震记录Elcentro波和兰州波，对结构进行地震作用下的时程分析。

2.1地震作用下的响应分析输入Elcentro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(0.20g)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～图6。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)Elcentro波激励下布置中心支撑的方案2顶部位移峰值为5.73cm，与纯框架高层结构的方案1相比，控制效果为40.3%，布置偏心支撑的方案3顶部位移峰值为6.42cm，控制效果为33.1%。兰州波激励下布置中心支撑的方案2顶部位移峰值为1.71cm，与纯框架高层结构的方案1相比，控制效果为46.4%，布置偏心支撑的方案3顶部位移峰值为2.04cm，控制效果为36.1%。兰州波激励下的顶层位移响应控制效果均要好于Elcentro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)Elcentro波激励下布置中心支撑的方案2顶部加速度峰值为103.50cm/m2，与纯框架高层结构的方案1相比，控制效果为39.7%，布置偏心支撑的方案3顶部加速度峰值为119.14cm/m2，控制效果为30.6%。兰州波激励下布置中心支撑的方案2顶部加速度峰值为139.97cm/m2，与纯框架高层结构的方案1相比，控制效果为41.7%，布置偏心支撑的方案3顶部加速度峰值为165.33cm/m2，控制效果为31.1%。兰州波激励下的顶层加速度响应控制效果均要好于Elcentro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。

2.2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，Elcentro波作用下，三种结构的基底剪力最大值分别为3989.38、11878.63和10023.18kN;兰州波作用下，两种结构的基底剪力最大值分别为2931.71、8901.26和7891.43kN。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。

3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，可减小结构的层间位移，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。

作者：杨国栋单位：山西中条山工程设计研究有限公司铜城设计院