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        脈動(dòng)風(fēng)載下新型建筑結(jié)構(gòu)頂層動(dòng)力響應(yīng)控制研究

        2014-10-21 20:02:15杜森王亞軍
        山東工業(yè)技術(shù) 2014年24期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)力響應(yīng)頂層控制

        杜森 王亞軍

        摘 要:對(duì)于新型建筑結(jié)構(gòu)而言,巨結(jié)構(gòu)以及子結(jié)構(gòu)中頂層動(dòng)力的響應(yīng)是最為劇烈的,且由于此區(qū)域中流體阻尼器直接與附加柱相連接,故而使得頂層動(dòng)力特定的表現(xiàn)非常的復(fù)雜。為進(jìn)一步改善整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性狀態(tài),本文在脈動(dòng)風(fēng)載作用力影響下分析附加阻尼以及附加柱剛度對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性表現(xiàn)的影響,從而總結(jié)了結(jié)構(gòu)頂層動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律,望能夠在后續(xù)工作中針對(duì)此問題展開進(jìn)一步的研究。

        關(guān)鍵詞:脈動(dòng)風(fēng)載;新型建筑結(jié)構(gòu);頂層;動(dòng)力響應(yīng);控制

        1 新型建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程分析

        新型建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中的基本模型如下圖所示(圖1),最底部子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持一致,同時(shí)底層巨結(jié)構(gòu)中納入剛度以及質(zhì)量等相關(guān)因素。與此同時(shí),上部各組子結(jié)構(gòu)與巨結(jié)構(gòu)保持獨(dú)立關(guān)系,在模型圖中分開表示,分別劃入一個(gè)單獨(dú)的自由度。假定分析模型當(dāng)中的巨結(jié)構(gòu)有n層,則需要保持獨(dú)立狀態(tài)的子結(jié)構(gòu)為n-1層,各組子結(jié)構(gòu)則為n1層。

        假定:Xp為巨梁層結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的n維側(cè)向移動(dòng)行向量,Xs為相對(duì)獨(dú)立子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的(n-1)n1維側(cè)移行向量,定義X=|Xp+Xs|,則對(duì)應(yīng)的動(dòng)力方程如下式所示:

        ;

        同時(shí),在考慮脈動(dòng)風(fēng)載因素影響的條件下,z高度條件下所對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)壓面荷載作用力主要與脈動(dòng)風(fēng)所對(duì)應(yīng)的平穩(wěn)項(xiàng)以及調(diào)制項(xiàng)情況相關(guān)。考慮到從荷載角度上來(lái)說(shuō),脈動(dòng)風(fēng)壓具有隨機(jī)性特點(diǎn),因此,在對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓面荷載作用力進(jìn)行分析的過(guò)程當(dāng)中,可以利用統(tǒng)計(jì)值做代入處理。同時(shí),假定:M為系統(tǒng)質(zhì)量陣,Mp為巨結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)質(zhì)量對(duì)角陣,Mi則為第i組子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的對(duì)角陣,則質(zhì)量陣可構(gòu)成如下式所示關(guān)系:

        M=diag[Mp,M1,...,Mn-1];

        2 算例分析

        在參考傳統(tǒng)巨型框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)之上,設(shè)置新型建筑結(jié)構(gòu),底部截面參數(shù)取值為5.7m*5.7m,巨梁結(jié)構(gòu)截面尺寸為5.7m*4.0m,巨結(jié)構(gòu)整體層數(shù)為3層,第一層層高為46.0m,第二層、第三層層高均為48.0m。兩組子結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立,每組對(duì)應(yīng)層數(shù)為10層,層高取值為4.0m,巨梁結(jié)構(gòu)跨度取值為32.0m。在此基礎(chǔ)之上,考慮到外界動(dòng)力作用的隨機(jī)性以及不可解耦性特點(diǎn),因此在針對(duì)本結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析的過(guò)程中需要采取以復(fù)模態(tài)以及隨機(jī)振動(dòng)基礎(chǔ)之上的理論分析方法。應(yīng)用Davenport風(fēng)速譜干預(yù)風(fēng)載計(jì)算,在10.0m高度條件下,基礎(chǔ)風(fēng)壓取值為0.65kN/m?,地面粗糙度預(yù)設(shè)值為0.16,梯度風(fēng)高度取值為350.0m。

        為了方便對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理,將附加柱剛度取值設(shè)置為常數(shù)量,將子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值設(shè)置為變量,同時(shí),附加阻尼取值設(shè)置為常數(shù)量,子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值設(shè)置為變量。定義參考指標(biāo)Rk以及Rc,兩項(xiàng)指標(biāo)的取值可參照如下式方式確定:

        Rk=附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值;

        Rc=附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值;

        下圖(如圖1)所示為脈動(dòng)風(fēng)載因素作用下,不同附加阻尼以及附加柱剛度變化條件下,巨結(jié)構(gòu)以及子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的頂層側(cè)向移動(dòng)響應(yīng)均方根值變化曲面圖。結(jié)合圖1趨勢(shì)來(lái)看,在滿足①附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值<0.3,②附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值=0的條件下,巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的側(cè)向移動(dòng)響應(yīng)最大;在滿足①附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值<0.3,②附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值在2.0~7.0區(qū)間的條件下,巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的側(cè)向移動(dòng)響應(yīng)控制效果最佳;在滿足①附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值>0.3,②附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值>7.0的條件下,巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的側(cè)向移動(dòng)響應(yīng)最大值可控制在0.02m范圍內(nèi),能夠滿足高層建筑側(cè)向移動(dòng)限制要求。

        下圖(如圖2)所示為脈動(dòng)風(fēng)載作用下,不同附加阻尼以及附加柱剛度變化條件下,巨結(jié)構(gòu)以及子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的頂層加速度響應(yīng)均方根值變化曲面圖。結(jié)合圖2趨勢(shì)來(lái)看,在滿足①附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值<0.5,②附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值<2.0的條件下,巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)最大;在滿足①附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值<0.3,②附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值>3.0的條件下,巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)控制效果最佳。巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)頂層加速度響應(yīng)可控制在0.25m/s?的理想范圍內(nèi),滿足室內(nèi)居住者對(duì)居住空間舒適度的要求。

        綜合以上分析認(rèn)為:在附加柱剛度取值/子結(jié)構(gòu)底層柱剪切剛度取值<0.3,并且附加阻尼取值/子結(jié)構(gòu)底層柱阻尼取值取值在3.0~7.0范圍內(nèi)的條件下,巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)響應(yīng)以及加速度響應(yīng)均可達(dá)到理想的控制。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        相較于一般意義上的傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)而言,新型建筑結(jié)構(gòu)背景之下,巨結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的頂層動(dòng)力特性表現(xiàn)非常復(fù)雜,動(dòng)力特性的反應(yīng)會(huì)受到多個(gè)方面因素的影響。在相關(guān)研究中認(rèn)為,受到脈動(dòng)風(fēng)載作用力的影響,附加阻尼取值,附加柱剛度取值均會(huì)在不同程度上對(duì)建筑巨結(jié)構(gòu)以及子結(jié)構(gòu)頂層動(dòng)力響應(yīng)的具體表現(xiàn)產(chǎn)生非常直接且關(guān)鍵性的影響。從這一角度上來(lái)說(shuō),在展開新型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的過(guò)程當(dāng)中,為了控制巨結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)頂層動(dòng)力響應(yīng),使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制在合理范圍內(nèi),就需要在結(jié)構(gòu)分析中納入對(duì)附加柱以及附加阻尼因素的分析,以上研究望能夠在后續(xù)實(shí)踐中引起各方關(guān)注與重視。

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