趙攀
[摘要]為確保高層建筑具有更高的安全系數(shù),避免外界因素作用下產(chǎn)生共振。在靜應(yīng)力條件滿足要求的前提下,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)頻率分析。以某16層的獨(dú)幢建筑為研究對(duì)象,在其基本設(shè)計(jì)參數(shù)已定的情況下,建立建筑的實(shí)體模型,并采用模態(tài)分析法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。獲得了承載和非承載條件下,結(jié)構(gòu)的1-5階振動(dòng)頻率。結(jié)果顯示,建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)僅與自身屬性有關(guān),外界載荷的影響不大。因此,與當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)較為頻繁的地震波頻率進(jìn)行對(duì)比后,僅需改進(jìn)其結(jié)構(gòu),使自振頻率遠(yuǎn)離地震波頻率,即可避免共振,達(dá)到提升安全系數(shù)的目的。
[關(guān)鍵詞]高層建筑;模態(tài)分析;振動(dòng)頻率;載荷
0引言
高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,強(qiáng)度性能是決定建筑本身壽命、穩(wěn)定性等質(zhì)量好壞的關(guān)鍵性因素。由此,絕大多數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),均會(huì)從該方面來(lái)進(jìn)行反復(fù)論證和計(jì)算。在建筑強(qiáng)度特性研究中,通過(guò)對(duì)成都地區(qū)的數(shù)家設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行調(diào)研可知,目前的建筑設(shè)計(jì)過(guò)程,通常把建筑物在承載時(shí)刻的靜強(qiáng)度作為第一設(shè)計(jì)要素考慮,即考慮最常時(shí)間下的最大承受載荷條件下,結(jié)構(gòu)的疲勞特性。該設(shè)計(jì)方法下,建筑結(jié)構(gòu)在靜應(yīng)力方面的安全系數(shù)較高。然而,不足之處在于,靜應(yīng)力僅是建筑投入使用后的單方面因素,除此之外,建筑還可能承受較大的風(fēng)載荷(如臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等)、地震等外界條件影響。這些動(dòng)載荷存在一定的頻率,若建筑的振動(dòng)頻率與外界作用的動(dòng)載荷頻率接近時(shí),極易誘發(fā)共振,從而致使結(jié)構(gòu)斷裂、變形等嚴(yán)重受損。綜上所述,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,必須考慮共振的問(wèn)題。故建立三維模型,并采用模態(tài)分析法,對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)頻率分析,在得到其固有頻率的基礎(chǔ)上,與外界條件進(jìn)行頻率對(duì)比,有助于預(yù)判其自振性能,并提出改進(jìn)措施,繼而達(dá)到設(shè)計(jì)合理化的目的。
1工程概況
本文在高層建筑振動(dòng)頻率分析的研究中,選擇西南地區(qū)某小區(qū)的獨(dú)幢高層住宅為研究對(duì)象。該建筑的基本情況,如表1所示。
2模型建立
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,已經(jīng)擬定的尺寸(包括結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高以及門窗尺寸等)為基準(zhǔn),在三維軟件中,建立實(shí)體模型。由于前期工作中,由于已經(jīng)完成靜強(qiáng)度的計(jì)算,且最大承受載荷遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力。故本文僅從振動(dòng)頻率方面來(lái)討論。為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,模型的繪制比例,確定為1:1。由于該建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此采用分部裝配法進(jìn)行建模。具體的建模步驟為:(1)建立結(jié)構(gòu)的主體框架模型;(2)單獨(dú)繪制建筑內(nèi)部,每個(gè)戶型的承重墻、梁結(jié)構(gòu)等模型;(3)按照窗戶和門的尺寸,對(duì)主體結(jié)構(gòu)的外墻進(jìn)行挖槽操作;(4)繪制門窗等附件模型;(5)將主體框架結(jié)構(gòu)、承重墻等各個(gè)模型按照位置約束關(guān)系(如面重合、線重合、面平行等約束),裝配成建筑整體(6)采用組合命令,將所有分模型,組合成一體。建立的三維實(shí)體模型,如圖1所示。
3振動(dòng)頻率分析
高層建筑的三維實(shí)體模型建立完成之后,下一步就可以進(jìn)行振動(dòng)頻率仿真。該環(huán)節(jié)主要在有限元計(jì)算軟件中進(jìn)行操作。
3.1計(jì)算方法的選擇
頻率仿真中,計(jì)算方法的類型直接影響到振動(dòng)頻率的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。故在計(jì)算方法的選擇中,必須要確保算法與模型的實(shí)際狀態(tài)相匹配。在該環(huán)節(jié)里,擬確定工程實(shí)踐中,最常用的模態(tài)分析法作為計(jì)算方法,方程表達(dá)式為:
(1)
3.2頻率的計(jì)算
將建立的模型,保存為.igs格式,導(dǎo)人有限元分析軟件。根據(jù)建筑在使用時(shí)候的實(shí)際條件,擬采用的約束為:底面固定約束。為簡(jiǎn)化計(jì)算,將所有的結(jié)構(gòu)材料,均整體定義為鋼筋混凝土。同時(shí),為判斷外界載荷作用下,是否會(huì)影響其自振頻率。數(shù)值計(jì)算中,采用兩種模擬方案:(1)沿建筑的正方向,垂直施加靜應(yīng)力計(jì)算中,最大的承受載荷;(2)不施加任何外界載荷。兩種方案下。計(jì)算出的5階頻率,如表2所示。
3.3結(jié)果分析
由表2可知,施加外載荷之后,建筑結(jié)構(gòu)的各階頻率均會(huì)有所增加,造成該情況的原因在于,載荷的作用下,高層建筑整體結(jié)構(gòu)的剛性有所提高。但是,與無(wú)外載荷條件下作用的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),二者的各階頻率偏差實(shí)際上是非常小的。最大的偏差在第一階,僅為1.5%,整體平均偏差僅為0.72%。所以可以得出結(jié)論,建筑物的自振頻率,主要由自身的形狀、結(jié)構(gòu)以及材料等屬性決定,外在應(yīng)力的影響微乎其微,可以忽略。因此,將該頻率值,與當(dāng)?shù)亟?jīng)常出現(xiàn)的地震波頻率進(jìn)行比較,即可得出最容易發(fā)生共振的階數(shù),以此可以采取結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、材料的改變等改進(jìn)措施。
4結(jié)論
以西南地區(qū)某獨(dú)幢高層建筑為研究樣本,根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的建筑形狀和尺寸,建立了三維實(shí)體模型。采用模態(tài)分析法,完成了結(jié)構(gòu)在承載和不承載兩種情況下的5階頻率計(jì)算。得出了建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率是由自身屬性決定的結(jié)論。同時(shí),為后續(xù)判斷地震狀態(tài)下,是否會(huì)引起共振,奠定了基礎(chǔ)。
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