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TLD减震高层建筑论文

  • 来源:学术杂志
  • 作者: 徐龙江
  • 发表于:2019-06-03 11:03:30
  • 点击:236

1基本参数及有限元模型的建立

结构分析采用主楼的三维整体计算分析模型,主体结构采用框架-剪力墙结构,楼面为普通的混凝土梁板体系.建筑抗震设防烈度为8度,场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,设计基本加速度为0.20g,场地土的特征周期0.35s,结构的阻尼比为0.05.采用大型通用有限元计算软件ANSYS对该复杂高层建筑结构进行建模.采用beam188梁单元模拟柱子和梁且均选择矩形截面,1~4层柱截面选择900mm×900mm,5~22层柱截面选择700mm×700mm.楼层梁截面可以根据具体的位置不同而选择450mm×700mm,400mm×700mm,350mm×700mm三种截面.楼板和剪力墙结构采用壳单元Shell63来模拟.模型共采用4854个空间梁单元和1848个壳单元.有限元模型如图3所示,结构构件截面特性如表1所示.

2有限元模型动力特性分析

采用ANSYS分析软件中的Lanczos法进行结构动力特性分析[4],求取结构前20阶自振频率,见表1所示.图4列出了结构前四阶振型图.由以上图表可以看出,结构第1阶振型为Y方向水平振动,第2阶振型为X方向水平振动,第三阶振型扭转振动,第四阶振型为局部振动.前两阶结构自振周期较为接近,说明结构两个方向抗侧力刚度基本一直.结构以平动为主的第一自振周期2.11s,以扭转为主的第一自振周期Tt=1.82s,其比值Tt/T1=0.86,略大于规范对周期比规定的限值0.85的要求,说明结构的扭转效应较明显,但具有足够的抗扭刚度.

3结构地震反应分析

3.1输入地震波的选取

为了分析不同类型地震波对复杂高层结构的地震反应影响,本文分别从2008年墨汶川8.0级大地震中选取2条具有典型长周期信息的地震波(台站编号为:061XIA和061XYT)进行分析,并选取1940年美国ImperialValley地震时记录到的EL-Centro地震波和1952年美国加利福尼亚KernCounty地震时记录到的Taft地震波作为常用普通地震波作对比参考.图5为所选的4条地震波加速度时程图.

3.2地震波的频谱特性分析

地震记录的频谱分布对结构的响应有很大影响,可以从傅里叶谱和反应谱显现出来.分别计算所选4条地震波的傅里叶谱和反应谱,分别见图6和图7.对比长周期地震波和普通地震波的傅里叶谱可以看出,长周期地震波的频带较普通地震波的频带更低,主要分布在下雨2Hz的范围内,长周期特征表现得更明显;两条普通地震波高频成分都比较丰富,主要分布在1~6Hz,频带分布集中在相对较高的频率部分.从四条地震波的反应谱可以看出,长周期地震波在长周期部分明显比两条普通地震波的谱值要大,即向长周期部分延伸,对应的谱值集中在0~7秒内,分布比较广泛.而普通地震波对应的谱值主要集中在0~2秒内,对短周期结构地震反应影响较大.

3.3结构动力反应分析

分别以前面4条地震波(两条长周期地震波和两条普通地震波)作为输入激励,对第二节所建立的有限元数值模型进行动力时程反应分析,分析过程中,阻尼模型选取工程上常用的瑞丽阻尼模型[5],取结构第一阶自振频率和输入激励的卓越频率为瑞丽阻尼的控制频率,整体结构的阻尼比取为5%.分别选取楼层水平加速度放大系数、楼层最大位移、楼层最大剪力和楼层最大弯矩作为参考变量,对不同频谱特性地震波作用下的结构响应进行了分析对比,具体结果见图8.对比不同地震波作用下结构的最大响应,可以看出,不同类型地震波作用下,结构的最大响应有显著的不同:结构在具有长周期特征的地震波作用下高层结构的位移响应值、加速度响应值和内力响应值均明显大于普通地震波作用下的结果;两者对应的结构最大位移响应相差达5倍左右,最大加速度响应相差约3倍左右,基底剪力平均值和弯矩平均值相差1倍左右.

4结构TLD减震效果分析

TLD方案的确定由第二节模态分析结果可以看出,结构沿东西方向第一阶自振频率为0.47Hz,结构沿南北方向的第一阶自振频率为0.50Hz;根据TLD减震原理,将TLD水箱两个方向的自振频率调整到与结构的两个水平方向自振频率相接近,以达到同时对结构两个方向振动控制的目的.本文采用ANSYS有限元软件中的Fluid80单元模拟TLD流体.为了对比分析TLD减震效果,分别将前面4条地震波(两条长周期地震波和两条普通地震波)作为输入激励,对第二节所建立的有限元数值模型添加TLD后进行动力时程反应分析,分别选取楼层水平加速度放大系数、楼层最大位移、楼层最大剪力和楼层最大弯矩作为参考变量,对不同频谱特性地震波作用下的结构响应进行了分析对比,具体结果见图9,TLD减震前后的结果地震反应对比误差见表2.从以上图表的对比可以看出,TLD减震效果比较明显,最大减震效果达到与60%;不同类型地震波作用下,结构减震效果有明显的不同.对比不同响应之间的减震效果,可以看出,TLD对加速度和位移的减震效果要明显大于对剪力和弯矩的减震效果,由此可以看出,TLD在结构水平方向振动控制、提高居民居住舒适度上有很好的控制效果.

5结论

本文在将TLD减震控制应用于一幢带裙房的大型复杂结构振动控制中,以数值模拟为手段,采用动力时程分析方法,选取不同卓越频率的地震波对安装TLD和未安装TLD的结构模型进行了动力时程分析,在对比分析结果数据的基础上,论证TLD的减振效果及可行性.具体结论如下:(1)可以通过合理控制TLD水箱两个方向的尺寸及内装液体的液面高度,可以达到同时对结构两个水平方向振动控制的目的,一般将TLD中液体的第一阶自振频率调至结构需要控制方向的第一阶自振频率的95%~98%,才会取得最满意的控制效果.(2)本文复杂高层结构在具有长周期特征的地震波作用下高层结构的位移响应值、加速度响应值和内力响应值均明显大于普通地震波作用下的结果;两者对应的结构最大位移响应相差达5倍左右,最大加速度响应相差约3倍左右,基底剪力平均值和弯矩平均值相差1倍左右.(3)通过对安装TLD和未安装TLD的模型地震反应结果对比分析可以看出,TLD对于结构两个水平方向的振动控制都有良好的控制效果。

作者单位:上海同设建筑设计院有限公司


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