薛建陽，翟 磊 ，閆春生

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

1 結構水平振動控制方法

對于普通鋼筋混凝土框架結構，控制其水平振動和位移的方法主要是提高結構本身的抗側剛度．常用的加固方案有以下兩種：

（1）增設鋼支撐：鋼支撐宜采用雙角鋼交叉支撐，通過鋼板套箍與原框架構件可靠連接．鋼支撐布置如圖1（a）所示．

（2）加設鋼筋混凝土“門式”剪力墻：考慮轉(zhuǎn)運站與通廊接口布置、機器設備吊裝和底部交通需要，將加設剪力墻立面做成“門”形，中部適當開設洞口，并與原框架采用錨筋或現(xiàn)澆鋼筋混凝土套連接，形成框架—剪力墻結構．剪力墻立面布置如圖1（b）所示．

2 高層轉(zhuǎn)運站振動控制的力學模型與響應分析

2.1 力學模型的建立

某高層轉(zhuǎn)運站為四柱十層的鋼筋混凝土框架結構，轉(zhuǎn)載區(qū)域為九層、十層，轉(zhuǎn)載方向為90°．框架開間、進深均為9.0 m，結構總高度為50 m，采用變截面框架柱，0～29.1 m以下為900 mm×900 mm，29.1～49.5 m變?yōu)闉?00 mm×700 mm．標高34.1 m以下為無圍護墻的敞開式框架結構，布置204輸送機機頭及動力設備于標高42.4 m平臺處，布置205輸送機機尾于標高39.1 m平臺處．轉(zhuǎn)運站剖面、計算模型分別如圖2（a）、2（b）所示．

圖2 高層轉(zhuǎn)運站原結構及兩種加固方案計算模型Fig. 2 The original structure and computing models of two strengthening scheme

利用有限元軟件 ETABS對此高層轉(zhuǎn)運站進行了建模計算分析，混凝土和鋼材均采用線彈性、各向同性材料模型，梁、柱均采用空間beam單元，剪力墻采用wall單元，樓板單元選用可直接將樓面荷載傳遞到與之相連的梁上的膜單元（Membrane），膜厚度采用樓板厚度設計值，邊梁剛度放大系數(shù)為1.0，中梁剛度放大系數(shù)為1.5．由于204輸送機所在通廊與轉(zhuǎn)運站相接處有2個支承點，考慮通廊對高層轉(zhuǎn)運站的水平支撐作用，建立力學模型計算分析時，將鋼桁架通廊簡化為兩個Y方向的彈簧支座布置在轉(zhuǎn)運站結構計算模型的相應位置；同理，對205雙機所在通廊在X方向上做同樣的處理．水平激振力作用位置按滾筒支架基礎的錨固螺栓位置以點荷載形式平均分配確定，作用點位置分布如圖3所示．

圖3 簡化彈簧支座布置示意圖Fig. 3 The schematic drawing of simplified spring support

2.2 結構的動力特性

截取前5階振型，采用Ritz（LDR）向量分析法進行模態(tài)分析．按“不考慮通廊水平支撐作用”和“考慮通廊水平支撐作用” 兩種工況進行．各工況下結構模態(tài)頻率的計算結果如表1所示．

表1 各振型模態(tài)頻率的改變情況Tab.1 The changes of modal frequency

可以看出：不考慮通廊水平支撐作用時，由于縱橫向柱距相等、構件截面尺寸相等，結構前兩階平動振型對應的自振頻率基本相等;考慮通廊水平支撐作用后，增加了結構整體的側向剛度，同時縮短了結構的自振周期，提高了結構的自振頻率．

2.3 結構動力響應分析

分析類型采用線性時程分析；指定振型阻尼比為0.05；荷載工況為穩(wěn)定運行時機頭皮帶及機尾皮帶對轉(zhuǎn)運站結構的水平拉力幅值：機頭 RY=400 kN、機尾RX=50 kN；時程函數(shù)為正弦函數(shù)；作用周期數(shù)為5；頻率間隔0.05 Hz；頻率范圍0.50～5.00 Hz（包含了原結構前10階自振頻率、水平振動頻率測試值0.98～1.12 Hz和低頻動力設備的振動頻率）．為明確兩個方向皮帶張力各自對轉(zhuǎn)運站結構的影響，以下分析將兩個方向的皮帶張力分別獨立施加，從而得到兩種工況下結構水平振動響應．各層參數(shù)的參考點為2軸與A軸的交點．

考慮通廊水平支撐作用對結構動力響應的影響程度，分析過程分別建立兩種計算模型，即“模型一”（不考慮通廊水平支撐作用）和“模型二”（考慮通廊水平支撐作用）．提取第10層的參考點在激振力作用方向上的頻率―位移曲線，如圖4、5所示．其中DYn表示機頭皮帶張力（RY）作用下第n層參考點Y方向位移，DXn表示機尾皮帶張力（RX）作用下第n層參考點X方向位移．

圖4 原結構模型及兩種加固方案各參考點頻率―位移曲線 (不考慮通廊水平支撐作用)Fig. 4 The frequency-displacement curve of reference points of original structure and strengthening schemes

圖5 原結構模型及兩種加固方案各參考點頻率―位移曲線 (考慮通廊水平支撐作用)Fig. 5 The frequency-displacement curve of reference points of original structure and strengthening schemes

有限元模擬結果表明，考慮通廊作用時，可以明顯縮短高層轉(zhuǎn)運站的自振周期，提高其自振頻率，整體剛度明顯提高．在不考慮通廊水平支撐作用時，結構剛度沿豎向均勻分布，各層參考點頻率―位移曲線峰值均對應相同的頻率，且X、Y兩個方向均只在第一階頻率處有共振現(xiàn)象，表明高層轉(zhuǎn)運站結構和其他高聳柔性結構一樣，側向水平振動受低頻激振力影響顯著．采用鋼支撐加固和鋼筋混凝土剪力墻加固兩種加固方案后，峰值點位移顯著降低，結構側向剛度明顯提高，共振頻率相應增加．

考慮通廊水平支撐作用時對各工況下的結構的動力特性和動力響應進行了比較．基本自振頻率比較，如表2所示．水平振動位移峰值比較，如表3、表4所示．圖6和圖7表示考慮通廊水平支撐作用時，0.5～5.0 Hz頻段簡諧水平激振力作用下結構在Y方向和X方向的共振頻率及相應各參考點的位移幅值．

通過比較可以看出：

(1)對于高層轉(zhuǎn)運站結構，通廊的水平支撐作用在結構水平振動控制中起到了重要作用，如表2～表4所示．但由于轉(zhuǎn)運站結構自身剛度相對較小，局部水平約束使得結構側向剛度沿豎直方向呈現(xiàn)不均勻變化，且結構自身剛度愈小，這種不均勻性體現(xiàn)越明顯．表現(xiàn)為水平力作用下結構側向變形不均勻，各樓層參考點的峰值位移對應激振頻率不統(tǒng)一，在計算頻段(0.5～5.0 Hz)內(nèi)的發(fā)生多個頻率點共振現(xiàn)象，如圖6（a）和圖7（a）所示．

(2)采用鋼支撐加固方案：在X方向上，考慮到高層轉(zhuǎn)運站與通廊接口設置和設備吊裝需要，在頂層A軸、B軸（X方向）柱間未布置支撐，鋼支撐不均勻的設置使結構在 X方向上各層的共振頻率仍有離散現(xiàn)象，但離散程度明顯減弱，如圖6(b)所示；在Y方向上，鋼支撐設置均勻，結構整體剛度的提高使得局部水平約束對結構局部剛度的改變程度減弱，表現(xiàn)為各參考點有統(tǒng)一的共振頻率，且加固后結構在水平力作用下的側向變形趨于均勻，如圖7（b）所示．

(3)采用剪力墻加固方案：由于高層轉(zhuǎn)運站結構整體剛度的提高使得局部水平約束對結構局部樓層抗側剛度的改變程度大幅降低．表現(xiàn)為各樓層具有統(tǒng)一的共振頻率，且在計算頻段(0.5～5.0 Hz)內(nèi)的各層只在一個頻率點發(fā)生共振現(xiàn)象．同時，由于剪力墻設置均勻?qū)ΨQ，加固后高層轉(zhuǎn)運站在水平力作用下側向變形較均勻，如圖6(c)和圖7(c)所示.所以建議優(yōu)先選用鋼筋混凝土剪力墻加固方案．

表2 各工況下結構基本自振頻率計算結果對比Tab.2 Comparison of vibration frequencies under various operating conditions

表3 各工況下Y向水平振動位移峰值比較Tab.3 Comparison of horizontal displacements in Y direction under various operating conditions

表4 各工況下X向水平振動位移峰值比較Tab.4 Comparison of horizontal displacements in X direction under various operating conditions

圖6 RY作用下Y方向的共振頻率及參考點位移幅值（水平力標高42.400 m）Fig.6 The resonant frequency and displacement amplitude of reference points under RY force in Y direction

3 結論

(1)通廊對提高高層轉(zhuǎn)運站結構整體剛度效果顯著．基于此，為確保通廊縱向有足夠的抗側剛度，建議與高層轉(zhuǎn)運站相鄰的第一榀通廊支架做成剛性固定支架；同時，可適當減小一跨通廊的跨度，以提高通廊自身的縱向剛度．

(2)不考慮鋼桁架通廊對轉(zhuǎn)運站的水平支撐作用時，結構僅在基本頻率處發(fā)生明顯的低頻共振現(xiàn)象，且共振區(qū)位移幅頻曲線波峰陡峭，之后，隨激振力頻率的增加結構位移響應逐漸減弱，表明轉(zhuǎn)運站結構和其他高聳柔性結構一樣，其側向水平振動僅受低頻激振力影響顯著．

(3)在原鋼筋混凝土框架柱間增設鋼筋混凝土剪力墻或交叉鋼支撐，都可減小結構水平側移，有效提高高層轉(zhuǎn)運站的整體剛度．對于高層轉(zhuǎn)運站，鋼支撐自身剛度相對較低，不易保證鋼板套箍與原結構構件連接的緊密性和牢固性，相比增設剪力墻方案，其更適合作為一種臨時加固方法．

(4)采用剪力墻加固方案：由于高層轉(zhuǎn)運站結構整體剛度的提高使得局部水平約束對結構局部樓層抗側剛度的改變程度大幅降低，同時還可以實現(xiàn)新增結構構件與原結構在荷載作用下的協(xié)同工作，起到了真正減振作用，建議優(yōu)先選用鋼筋混凝土“門式”剪力墻加固方案．

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