建筑力学论文：基于共同作用下巨型框架结构的动力特性分析

建筑力学论文：基于共同作用下巨型框架结构的动力特性分析摘要：巨型框架结构由于其平面布置的灵活性和以空间整体受力为特征得到了建筑工程广泛的应用，而基于共同作用机理的巨型框架结构对于不同地基类型的动力响应研究并不深入。本论文对巨型框架结构力学机理进行分析，归纳其简化的力学计算模型，应用有限元对砂卵石土-筏基-巨型框架结构体系在地震作用下共同响应进行数值计算，并对巨型框架结构进行模态、谐响应以及地震反应谱分析，研究得出巨型框架结构考虑了共同作用后在频率较高时表现出一定的柔性，同时，巨型框架的层间剪力有所增加，最后，归纳了巨型框架结构在动荷载下的力学机理与响应，确定其动力特性。本文所得结论对工程实践具一定的指导意义。关键词：巨型框架结构;共同作用；动力特性建筑结构由地基、基础和上部结构三部分组成一个整体，在力平衡系统中各自刚度对其它部分工作性状产生影响，每部分的工作性状都是三者共同作用的结果，相互影响，协同工作，共同承受荷载作用。目前,建筑结构抗震设计理论割裂了上部结构与地基、基础之间相互作用的关系，这种设计思路是具有一定的不合理性，造成对建筑物抗震能力评估误差，从而在建筑结构建成初期就给整个建筑留下安全隐患[1]。巨型框架结构具有传力路径明确，整体性能好等优点，并且能够很好地适应建筑布置变化，日益受到建筑工程界的重视，得到广泛的应用[2]。同时，砂卵石土具有压实性好，承载力较高，不易液化等优良特性，随着高层建筑工程的发展，越来越多的高层建筑选择以砂卵石层为持力层的地基形式[3]。于是，巨型框架结构的上部结构与其地基基础共同工作问题已经受到学术界和工程界的高度重视。根据目前高层建筑共同工作理论发展的现状，本文对巨型框架结构-筏基-砂卵石地基共同作用方面进行相关动力研究，所得结论对工程实践具一定的指导意义。1力学模型某电信局综合楼，基地面积2340m2，地面以上高度为140.5m，建筑面积约3.6万平方米，采用巨型框架结构体系，楼层平面为规则的长方形，尺寸为29.7m×30.2m，基础埋深14.2m，四角设置四个大小相等的钢筋混凝土筒（7.6m×5.6m），四角筒与四道桁架层形成一级结构，各道桁架之间的框架为二级结构。该综合楼位于四川成都市红星大道西侧，地基土多为直径2～10cm的卵石，填充物以中粗砂、圆砾为主，含有少量的细砂及粘性土团块。本文采用有限元软件ANSYS进行力学模型的建立，上部结构的柱、梁采用Beam4单元，上部结构的剪力墙、楼板与基础的筏板构件采用Shell63单元，地基土采用Solid45单元，建立了不考虑共同作用时与考虑共同作用时的巨型框架有限元模型，自由振动时所具有的基本振动特性，如频率、振型和阻尼比等，对结构体系进行动力特性分析具有重要意义，通过结构的振动频率和振型曲线可以分析结构的刚度大小及其刚度、质量分布的合理性。2.1非共同作用时的模态分析由图3可知结构以水平振动为主，一阶振型为Y方向的平动，二阶振型为X方向的平动，三阶振型为绕Z轴的转动，四阶振型为X向的平动。从第五阶振型开始出现板的振动，梁也开始出现弯曲，梁板的变形随着振型号的增加越来越明显。以平动为主的第一自振周期为T1=1.0502s，以扭转为主的第一自振周期为T3=0.5581s，其比值T1/T3=1.88。由此可见，结构的平面刚度比较均匀，扭转效应对结构的影响很小。2.2共同作用时的模态分析由表1可知结构以水平振动为主。一阶振型为Y方向的平动，二阶振型为X方向的平动，三阶振型为绕Z轴的转动，四阶振型为X向的平动。以平动为主的第一自振周期为T1=0.9563s，以扭转为主的第一自振周期为T3=0.4672s，其比值T1/T3=2.05。由此可见，结构的平面刚度比较均匀，考虑了共同作用后结构的平面刚度依然比较均匀，扭转效应对结构的影响很小。同时，考虑共同作用之后结构的前面三阶振型所对应的频率有增大的趋势，但从第四阶开始不考虑共同作用的振型所对应的频率反而比较大。这说明考虑共同作用后，结构的高阶频率变小，周期变大，减小了结构的刚度，12345频率/Hz1.051.112.142.632.83周期/s0.960.900.470.380.35考虑共同和不考虑作用时频率对比3谐响应分析谐响应是分析结构在承受随时间正弦(简谐)变化荷载作用下稳态响应，分析可以得到结构位移对频率的幅频特性曲线，及其他结果随频率的变化情况，则在这些曲线中可以找到“峰值”响应，并进一步观察峰值频率对应的应力。谐响应分析能预测结构的持续动力特性，从而能够验证建筑结构设计是否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的震害。3.1非共同作用时的谐响应分析见图5，巨型框架结构在简谐荷载作用下，各个方向的最大振幅均出现在顶点处。顶部的振幅大于中部，中部的振幅大于底部，这说明巨型框架结构在简谐荷载作用下表现出了良好的线形响应。图5节点838（顶部）、220（中部）、543（底部）在频域范围内对应的X方向的振幅·3.2共同作用时的谐响应分析，考虑了共同作用后的巨型框架结构在简谐荷载作用下，各个方向的最大振幅依然出现在顶点处。顶部的振幅大于中部，中部的振幅大于底部，这说明巨型框架结构在考虑了共同作用时，在简谐荷载作用下也表现出了良好的线形响应。考虑了共同作用后巨型框架结构在低频时所对应的顶点振幅都比不考虑共同作用时有了明显的下降，然而到了频率比较高的时候考虑了共同作用后巨型框架结构比不考虑共同作用时的振幅反而有了增加，如图7所示。这说明考虑了共同作用后的巨型框架在频率较高时表现出了一定的柔性，这与模态分析所得出的结论有了很好的吻合。节点838（顶部）、220（中部）、543（底部）在频域范围内对应的X方向的振幅图7节点838在X方向振幅对比4地震反应谱分析谱分析将模态分析的结果与已知的谱联系起来，然后计算模型的位移和应力，以便确定结构对随机载荷和随时间变化载荷的动力响应情况，如地震、风载等。本文进行了地震作用下的结构反应计算，如图8、图9。并进行了两者每层剪力对比分析，对于考虑了共同作用的结构来说，层间剪力有了明显的增大，所以，对于这组地震谱来说没有考虑了共同作用对于我们的上部结构是偏于不安全的。图8整体变形图9整体变形（共同作用）图10X方向剪力对比5结论（1）巨型框架是一种刚度比较大的结构，它在各阶模态下的位移响应都较小，类似于框-剪结构。（2）考虑共同作用后，结构的高阶频率变小，周期变大，减小了结构的刚度。（3）巨型框架结构无论是在考虑了共同作用还是不考虑共同作用时，在简谐荷载作用下均表现出了良好的线性响应。（4）考虑了共同作用后巨型框架结构在低频时所对应的顶点振幅都比不考虑共同作用时有了明显的下降，频率较高时所对应的顶点振幅反而有了增加。这说明考虑了共同作用后的巨型框架在频率较高时表现出了一定的柔性，这与模态分析所得出的结论有了很好的吻合。（5）考虑共同作用后巨型框架的层间剪力有所增加，所以对于砂卵石地基来说，我们平常所做的只考虑上部结构的设计是偏于不安全的。参考文献[1]李金光,周艳国,朱方敏.刚性基础与地基共同作用的有限元分析[J].建筑技术开发,2001,(7):2-3.[2]包世华,龚耀清.超高层建筑巨型框架的简化分析[J].工程力学,2002,(s1):233-236.[3]郭庆国.粗粒土的工程性质及应用[M].郑州:黄河水利出版社,1998.