地震作用下高层建筑的振动分析

文章编号:1004-9762(2003)03-0265-03
地震作用下高层建筑的振动分析Ξ
柳长江1,2,李志宏3,明文卉4
(11内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头　014010;21西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安
710055;31平顶山工学院,河南平顶山　467000;41包头市规划局,内蒙古包头　014030)
关键词:ANSY S;高层建筑;振动分析;地震作用
中图分类号:T U973 文献标识码:A
摘　要:用ANSY S程序自带的开发语言ADP L,可用来计算高层建筑在地震荷载作用下的响应,直接绘出结构各层位移图、弯矩图和结构各层层间位移以及顶点侧移在地震荷载作用下的响应,其结果直观、可靠,可供分析研究和设计参考.
Analysis on the vibration of high buildings caused by earthquake
LI U Chang2jiang1,2,LI Zhi2hong3,MI NG Wen2hui4
(1.Architecture and C ivil Engineeing S ch ool,UST Inner M ong olia,Baotou014010,China;2.C ivil Engineering S ch ool,X i’an University of Architecture and T echn ology,X i’an710055,China;3.P ingdinshan Institute of T echn ology,P ingdinshan467000,China;4.Baotou P lan Bureau,Baotou014030,China)
K ey w ords:ANSY S;high building;vibration analysis;seismic action
Abstract:The responds of high buildings at the time of earthquake were calculated by using the program with empolder ADP L language in AN2 SY S program.Maps of the displacement,the m oment and the peak side displacement of every floor can be drawn directly.The results are direct and credible,which are useful for further reference in design and study.
建筑结构要同时承受垂直荷载和水平荷载作用.在低层结构中,水平荷载产生的内力和位移很小,通常可以忽略;在多层结构中,水平荷载的效应(内力和位移)逐渐增大,而到高层建筑中,水平荷载将成为控制因素.水平荷载一般包括风荷载和地震荷载.在地震区,水平荷载常常以地震荷载为主[1].因此,用现代振动理论来考虑地震荷载对高层建筑的影响具有重要的理论意义和实用价值.
1　地震作用下结构振动的基本方程及公式 地震作用可分为水平方向和竖直方向.本文主要分析水平地震荷载作用对高层建筑的影响.将框架结构的高层建筑作为平面杆系统结构进行分析,结构的振动方程为[2]:
[m][¨x]+[c][x]+[k][x]=-[m][¨x g],(1)式中,[m]为质量矩阵;[c]为阻尼矩阵;[k]为刚度矩阵;[¨x g]为地震时地面运动的加速度.2　地震反应谱的确定
文献[3]采用相对于重力加速度的绝对最大加速度,即S a/g与体系自振周期T之间的关系作为设计用反应谱,且
α=S a/g,(2)式中,α为地震影响系数.
此反应谱由4部分组成:
当T<011s时:
α=[0.45+10(η
2
-0.45)T]αmax;(3)当0.1s≤T≤T g时:
α=η2αmax;(4)
当T g≤T≤5T g时:
α=
T g
T
γ
η
2
α
max
;(5)当T>5T g时:
α=η2012γ-η1(T-5T g)αmax,(6)
2003年9月第22卷第3期
包头钢铁学院学报
Journal of Baotou University of Iron and S teel T echnology
September,2003
V ol.22,N o.3
Ξ收稿日期:2003-06-23
作者简介:柳长江(1965-),男,河南武陡人,内蒙古科技大学副教授,西安建筑科技大学博士研究生,主要从事钢结构稳定性研究1
式中,T 为结构自振周期(s );T g 为特征周期;η1为
直线下降段的下降斜率调整系数,有:
η1=0102+0105-ζ8
;(7)η2为阻尼调整系数,由式(8)确定,且当η2<0155时,取η2=0155.
η2=1+0105-ζ0106+117ζ;(8)
γ为衰减指数,有:
γ=0.9+0.05-ζ
0.5+5
ζ,(9)
ζ为阻尼比.
3　振动分析
将上述反应谱引入通用的有限元分析程序AN 2SY S 中,通过建立模型、振型分析、谱分析,得到在设计谱作用下建筑结构的响应谱.上述过程用ANSY S 程序自带的开发语言APD L 编成程序可计算一般建筑结构的振动问题(程序从略).
下面以图1所示某12层框架结构为例.柱截面为矩形,600mm ×600mm ,梁截面为矩形,300mm ×600mm ,砼材料为C40,其E =3.25×104N/mm 2,泊
松比μ=012,Ⅱ类场地土,抗震设防裂度为8度,最大地震影响系数αmax =0116,特征周期T g =0135,结构阻尼比为0102.采用beam3单元类型,通过程序分析
,其前三阶振型如图2所示,结构各层层间位移如图3所示,弯矩图如图4所示,顶点侧移的响应如图
5所示.
图1　框架计算简图
Fig.1　Simplified diagram of caculation
图2　振型图
Fig.2　Oscillation mode diagram (a
)第1振型;(b )第2振型;(c )
第3振型
图3　层间位移响应
Fig.3　F loor 2to floor displacement response
图4　弯矩图
Fig.4　B ending moment diagram
662包头钢铁学院学报2003年9月　第22卷第3期
图5　顶点侧移响应
Fig.5　Top sidew ay move response
4　结论
(1)本文利用ANSY S软件强大的APD L语言,并经过二次开发,对高层建筑进行地震反应分析,得出并直接绘出结构各层位移图、弯矩图和结构各层层间位移以及顶点侧移.
(2)在水平方向地震波的作用下,框架呈弯曲型变形.
(3)由图4可以看出,弯矩分布为底部梁、柱弯矩最大,越往上部越小.
(4)由图5可以看出,第1振型下的侧移最大,故按第1振型来考虑地震作用是可行的.
(5)由图3可以看出,结构的薄弱环节发生在结构的中下部,层间位移较大,成为整个结构的薄弱环节,在设计时应加以注意.
参考文献:
[1]　包世华,方鄂华1高层建筑结构设计[M]1北京:清华
大学出版社,1990.
[2]　王光远,等1结构动力学[M].北京:科学出版社,1985.
[3]　G B50011—2001,建筑抗震设计规范[S].
知识窗
如何防止连铸喷嘴的堵塞
连铸喷嘴堵塞是很多钢厂在生产现场遇到过的难题之一1它不仅增加了维修的工作量,更主要的是严重影响工艺质量,易造成事故,影响成本1一般来说,可以考虑采取以下途径予以解决:
(1)加强过滤和水处理1特别是加强供水系统的过滤和水质控制1但这还不够,还应在阀门室后加简易并联双过滤器1其优点是:①前后设压力表,过滤器内是否堵塞一目了然;②需要清洗时不占用作业时间;③清洗很方便1很重要用途的喷嘴,可以考虑在喷淋管接头处或喷嘴入口处加过滤,这可以解决阀门室管路锈蚀和检修时不慎掉入管路的杂物.
(2)选用耐磨性能好的喷嘴1从某厂的使用看,原用的喷嘴半个月就必须拆下来清洗,重新装上后多数不好用.更换后,在同样的供水条件下使用效果良好1分析原因,与新喷嘴的内腔表面耐磨性能好、不易粘结有关1经过分析,喷嘴的堵塞物主要是氧化铁、氧化钙和氧化硅,这些材料如同水泥、涂料一样,不断在喷嘴内腔粘结、累积叠加,最终堵塞了喷嘴1
(3)采用通孔大的喷嘴1同样流量但不同生产厂的喷嘴通孔不一样大,喷嘴结构不同通孔也不同1比如日本喷雾公司一种新型椭圆喷嘴,在相同的压力流量下,其通孔是普通的广泛用于板坯的椭圆喷嘴的两倍,也不易堵塞1选择新型喷嘴,比如选用矩形喷嘴纵向布置,用于小方坯或板坯,不仅喷射距离可以远一些,防止喷嘴被撞坯或烧坏,而且一个喷嘴的覆盖面积相当于两个或多个一般圆锥形喷嘴,单个喷嘴的流量大、通孔大,自然不容易堵塞1
摘录自《中国冶金报》2003-09-02(3)762
柳长江等:地震作用下高层建筑的振动分析。