建筑物結(jié)構(gòu)類型變化對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響研究

吳新建 姚錦寶

(1.東華工程科技股份有限公司上海分公司，上海 200233； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

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建筑物結(jié)構(gòu)類型變化對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響研究

吳新建1姚錦寶2

(1.東華工程科技股份有限公司上海分公司，上海 200233； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

建立了不同結(jié)構(gòu)類型的三種建筑物空間有限元模型，分別加上同一種振動(dòng)荷載，探討了不同結(jié)構(gòu)類型建筑物的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)建筑物的振動(dòng)響應(yīng)最小，混凝土結(jié)構(gòu)次之，磚混結(jié)構(gòu)最大。

建筑物，結(jié)構(gòu)類型，振動(dòng)響應(yīng)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模的越來(lái)越大，各類振動(dòng)以波的形式向周圍傳播，對(duì)沿線建筑物的結(jié)構(gòu)安全、精密儀器以及人們的日常生活等造成一定程度的影響。因此，如何減小各類振動(dòng)對(duì)建筑物的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

同一振動(dòng)作用下，不同結(jié)構(gòu)類型的建筑物振動(dòng)的影響規(guī)律也是不相同的。本文中，討論磚混、混凝土框架及鋼結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類型建筑物在外界振動(dòng)作用下的響應(yīng)規(guī)律。

1 工程概況

1.1 土體參數(shù)

計(jì)算模型中的地基土分為兩層，具體參數(shù)如表1所示。地基土有限元模型尺寸為建筑物尺寸的10倍以上；土體與建筑物間采用剛性連接，土體有限元模型下部邊界采用固結(jié)形式；側(cè)向邊界為粘彈性邊界，土體的阻尼比ξ=0.1。

表1 地基土的特性參數(shù)

1.2 建筑物參數(shù)

建筑物總長(zhǎng)度36 m，每間寬度為3.0 m；建筑物總寬度為10 m(為4 m-2 m-4 m三跨結(jié)構(gòu))。建筑物的平面布置圖如圖1所示。建筑物的阻尼比ξc=0.05。

在空間上，建筑物的層數(shù)為6層，層高為3 m，總高度為18 m。建筑物結(jié)構(gòu)類型分框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)三種類型加以討論，圖2，圖3分別是磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)建筑物的有限元模型。在框架結(jié)構(gòu)中建筑物的梁、柱以及磚混結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)建筑物的框架柱、梁常采用格構(gòu)式，其折算密度：柱密度約為混凝土的1/6～1/5，梁密度約為混凝土的1/3～1/2；框架結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的柱截面尺寸均為450 mm×450 mm，主梁為300 mm×600 mm，次梁250 mm×500 mm；磚混結(jié)構(gòu)的墻厚均為240 mm，構(gòu)造柱截面尺寸為240 mm×240 mm，圈梁為240 mm×300 mm；三種不同建筑物結(jié)構(gòu)類型的樓板均選用C20混凝土，厚度為10 cm，建筑物的阻尼比ξc=0.05。

具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)及動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)及其動(dòng)力特性

從表2中可以看出，截面相同條件下，鋼結(jié)構(gòu)前四階的計(jì)算頻率最大，磚混結(jié)構(gòu)計(jì)算頻率次之，框架結(jié)構(gòu)計(jì)算頻率最小。說(shuō)明在三種不同的建筑物類型中，鋼結(jié)構(gòu)的整體性最好，框架結(jié)構(gòu)最柔。

1.3 荷載參數(shù)

加載分為兩種情況，分別為荷載一(見(jiàn)圖4a))、荷載二(見(jiàn)圖4b))的力與時(shí)間的變化曲線；加載點(diǎn)距建筑物間的距離分別為10 m和20 m。

2 振動(dòng)響應(yīng)分析

2.1 邊跨振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

選取邊跨①位置處(見(jiàn)圖1)的加速度振級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析。圖5，圖6分別是荷載一距建筑物10 m，20 m條件下，三種不同類型的建筑物樓層拾振點(diǎn)處的水平向加速度(如圖5a)所示)和豎向加速度(如圖5b)所示)振級(jí)隨樓層的變化規(guī)律。

從圖5，圖6中可以看出：

1)兩種不同的距離條件下，三種類型建筑物樓層的豎向和水平向加速度振級(jí)都有隨著樓層增高而增大趨勢(shì)；

2)4層以下，建筑物豎向振動(dòng)增加較快，超過(guò)4層后，這種增大的趨勢(shì)放緩；

3)對(duì)于建筑物的豎向振動(dòng)而言，三種不同結(jié)構(gòu)類型中，鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最小，框架結(jié)構(gòu)混凝土次之，磚混結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最大；

4)對(duì)引起建筑物的微振動(dòng)而言，鋼結(jié)構(gòu)建筑物的抗微動(dòng)振動(dòng)效果最好、框架結(jié)構(gòu)次之、磚混結(jié)構(gòu)抗微振動(dòng)的效果最差，這與文獻(xiàn)[5]中的實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)論相一致。

2.2 邊、中跨振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比

為比較三種不同類型建筑物的邊跨與中跨樓層振動(dòng)情況，選取邊跨中①位置處和中跨中②位置處的振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖1)。

圖7是在荷載二作用下，兩種不同距離條件下10 m(如圖7a)所示)，20 m(如圖7b)所示)，三種類型建筑物樓層的邊跨和中跨樓板的振動(dòng)隨樓層的變化規(guī)律。

從圖7中可以看出：

1)在兩種不同距離條件下，三種結(jié)構(gòu)類型建筑物邊跨樓板的豎向加速度振級(jí)都大于相對(duì)應(yīng)中跨樓板的加速度振級(jí)。2)在中跨樓板振動(dòng)中，磚混結(jié)構(gòu)建筑物的振動(dòng)也最大，框架結(jié)構(gòu)次之，鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最小，與邊跨樓板的振動(dòng)規(guī)律相一致。3)建筑物邊跨樓板的振動(dòng)差值要大于相對(duì)應(yīng)中跨樓板的振動(dòng)差值。此外，三種

結(jié)構(gòu)類型建筑物的邊跨和中跨樓板振動(dòng)都有隨著距建筑物距離的增加而逐漸變小的趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)討論在不同荷載作用下，對(duì)磚混、混凝土框架及鋼結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類型建筑物振動(dòng)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1)在荷載的作用下，三種類型建筑物樓層的豎向和水平向加速度振級(jí)都有隨著樓層增高而增大趨勢(shì)；

2)對(duì)引起建筑物的豎向振動(dòng)而言，鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最小，框架混凝土結(jié)構(gòu)次之，磚混結(jié)構(gòu)的振動(dòng)最大；

3)對(duì)引起建筑物的微振動(dòng)而言，鋼結(jié)構(gòu)建筑物的抗微動(dòng)振動(dòng)效果最好、框架結(jié)構(gòu)次之、磚混結(jié)構(gòu)抗微振動(dòng)的效果最差；

4)在外界振動(dòng)荷載的作用下，建筑物邊跨樓板的豎向加速度振級(jí)都大于相對(duì)應(yīng)中跨樓板的加速度振級(jí)。

[1] 姚錦寶，夏 禾，陳建國(guó).運(yùn)行列車對(duì)附近建筑物振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30(5)：129-134.

[2] 姚錦寶.考慮土—結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)及隔振措施研究[D].北京：北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.

[3] 馬宏旺,呂西林.建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002，30(12)：1429-1434.

[4] 袁 俊.城市軌道交通隔振減振機(jī)理及措施研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.

[5] 夏 禾，吳 萱，于大明.城市軌道交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23(4)：1-7.

Research on the vibration influence laws about different structure type building under load

Wu Xinjian1Yao Jinbao2

(1.ShanghaiBranch,EastChinaEngineeringScienceandTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200233,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

In this paper, the finite element model about three kinds of different structure types building are established. Respectively, with the same kind of vibration load, the vibration response of buildings with different structure types are discussed, and results show that: the steel structure building vibration response is minimum and the concrete structure building is second, the brick concrete structure building is maximum.

building, structure type, vibration response

1009-6825(2016)20-0019-02

2016-05-04

吳新建(1971- )，男，高級(jí)工程師

TU311.3

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