建筑力學(xué)論文：基于共同作用下巨型框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

1、 建筑力學(xué)學(xué)論文：基于共共同作用用下巨型型框架結(jié)結(jié)構(gòu)的動(dòng)動(dòng)力特性性分析摘要：巨巨型框架架結(jié)構(gòu)由由于其平平面布置置的靈活活性和以以空間整整體受力力為特征征得到了了建筑工工程廣泛泛的應(yīng)用用，而基基于共同同作用機(jī)機(jī)理的巨巨型框架架結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)于不同同地基類類型的動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)研究并并不深入入。本論論文對(duì)巨巨型框架架結(jié)構(gòu)力力學(xué)機(jī)理理進(jìn)行分分析，歸歸納其簡(jiǎn)簡(jiǎn)化的力力學(xué)計(jì)算算模型，應(yīng)用有有限元對(duì)對(duì)砂卵石石土-筏筏基-巨巨型框架架結(jié)構(gòu)體體系在地地震作用用下共同同響應(yīng)進(jìn)進(jìn)行數(shù)值值計(jì)算，并對(duì)巨巨型框架架結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行模態(tài)態(tài)、諧響響應(yīng)以及及地震反反應(yīng)譜分分析，研研究得出出巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)考慮了了共同作作用后在在頻率較較高時(shí)

2、表表現(xiàn)出一一定的柔柔性，同同時(shí)，巨巨型框架架的層間間剪力有有所增加加，最后后，歸納納了巨型型框架結(jié)結(jié)構(gòu)在動(dòng)動(dòng)荷載下下的力學(xué)學(xué)機(jī)理與與響應(yīng)，確定其其動(dòng)力特特性。本本文所得得結(jié)論對(duì)對(duì)工程實(shí)實(shí)踐具一一定的指指導(dǎo)意義義。關(guān)鍵詞：巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu);共同同作用；動(dòng)力特特性建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)由地基基、基礎(chǔ)礎(chǔ)和上部部結(jié)構(gòu)三三部分組組成一個(gè)個(gè)整體，在力平平衡系統(tǒng)統(tǒng)中各自自剛度對(duì)對(duì)其它部部分工作作性狀產(chǎn)產(chǎn)生影響響，每部部分的工工作性狀狀都是三三者共同同作用的的結(jié)果，相互影影響，協(xié)協(xié)同工作作，共同同承受荷荷載作用用。目前前,建筑筑結(jié)構(gòu)抗抗震設(shè)計(jì)計(jì)理論割割裂了上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)與地基基、基礎(chǔ)礎(chǔ)之間相相互作用用的關(guān)系系，這種種設(shè)計(jì)思

3、思路是具具有一定定的不合合理性，造成對(duì)對(duì)建筑物物抗震能能力評(píng)估估誤差，從而在在建筑結(jié)結(jié)構(gòu)建成成初期就就給整個(gè)個(gè)建筑留留下安全全隱患1。巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)具有傳傳力路徑徑明確，整體性性能好等等優(yōu)點(diǎn)，并且能能夠很好好地適應(yīng)應(yīng)建筑布布置變化化，日益益受到建建筑工程程界的重重視，得得到廣泛泛的應(yīng)用用2。同時(shí)時(shí)，砂卵卵石土具具有壓實(shí)實(shí)性好，承載力力較高，不易液液化等優(yōu)優(yōu)良特性性，隨著著高層建建筑工程程的發(fā)展展，越來(lái)來(lái)越多的的高層建建筑選擇擇以砂卵卵石層為為持力層層的地基基形式3。于是，巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)的上部部結(jié)構(gòu)與與其地基基基礎(chǔ)共共同工作作問(wèn)題已已經(jīng)受到到學(xué)術(shù)界界和工程程界的高高度重視視。根據(jù)據(jù)目前高高層

4、建筑筑共同工工作理論論發(fā)展的的現(xiàn)狀，本文對(duì)對(duì)巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)-筏基基-砂卵卵石地基基共同作作用方面面進(jìn)行相相關(guān)動(dòng)力力研究，所得結(jié)結(jié)論對(duì)工工程實(shí)踐踐具一定定的指導(dǎo)導(dǎo)意義。1力學(xué)模模型某電電信局綜綜合樓，基地面面積2 3400 m22，地面面以上高高度為1140.5 mm，建筑筑面積約約3.66萬(wàn)平方方米，采采用巨型型框架結(jié)結(jié)構(gòu)體系系，樓層層平面為為規(guī)則的的長(zhǎng)方形形，尺寸寸為299.7 m30.2 mm，基礎(chǔ)礎(chǔ)埋深114.22 m，四角設(shè)設(shè)置四個(gè)個(gè)大小相相等的鋼鋼筋混凝凝土筒（7.66m5.66 m），四角角筒與四四道桁架架層形成成一級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)，各各道桁架架之間的的框架為為二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。該該綜合樓樓位

5、于四四川成都都市紅星星大道西西側(cè)，地地基土多多為直徑徑2110 ccm的卵卵石，填填充物以以中粗砂砂、圓礫礫為主，含有少少量的細(xì)細(xì)砂及粘粘性土團(tuán)團(tuán)塊。本本文采用用有限元元軟件AANSYYS進(jìn)行行力學(xué)模模型的建建立，上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)的柱、梁采用用Beaam4單單元，上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)的剪力力墻、樓樓板與基基礎(chǔ)的筏筏板構(gòu)件件采用SShelll633單元，地基土土采用SSoliid455單元，建立了了不考慮慮共同作作用時(shí)與與考慮共共同作用用時(shí)的巨巨型框架架有限元元模型，自由振振動(dòng)時(shí)所所具有的的基本振振動(dòng)特性性，如頻頻率、振振型和阻阻尼比等等，對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)體系系進(jìn)行動(dòng)動(dòng)力特性性分析具具有重要要意義，通過(guò)結(jié)結(jié)構(gòu)的振振

6、動(dòng)頻率率和振型型曲線可可以分析析結(jié)構(gòu)的的剛度大大小及其其剛度、質(zhì)量分分布的合合理性。2.1非非共同作作用時(shí)的的模態(tài)分分析由圖圖3可知知結(jié)構(gòu)以以水平振振動(dòng)為主主，一階階振型為為Y方向向的平動(dòng)動(dòng)，二階階振型為為X方向向的平動(dòng)動(dòng)，三階階振型為為繞Z軸軸的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)，四階階振型為為X向的的平動(dòng)。從第五五階振型型開(kāi)始出出現(xiàn)板的的振動(dòng)，梁也開(kāi)開(kāi)始出現(xiàn)現(xiàn)彎曲，梁板的的變形隨隨著振型型號(hào)的增增加越來(lái)來(lái)越明顯顯。以平平動(dòng)為主主的第一一自振周周期為T(mén)T1=11.0550 22 s，以扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為主的的第一自自振周期期為T(mén)33=0.5588 1 s，其其比值TT1/TT3=11.888。由此此可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)的的平面剛剛度比較較

7、均勻，扭轉(zhuǎn)效效應(yīng)對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)的影影響很小小。2.2共共同作用用時(shí)的模模態(tài)分析析由表11可知結(jié)結(jié)構(gòu)以水水平振動(dòng)動(dòng)為主。一階振振型為YY方向的的平動(dòng)，二階振振型為XX方向的的平動(dòng)，三階振振型為繞繞Z軸的的轉(zhuǎn)動(dòng)，四階振振型為XX向的平平動(dòng)。以以平動(dòng)為為主的第第一自振振周期為為T(mén)1=0.9956 3 ss，以扭扭轉(zhuǎn)為主主的第一一自振周周期為T(mén)T3=00.4667 22 s，其比值值T1/T3=2.005。由由此可見(jiàn)見(jiàn)，結(jié)構(gòu)構(gòu)的平面面剛度比比較均勻勻，考慮慮了共同同作用后后結(jié)構(gòu)的的平面剛剛度依然然比較均均勻，扭扭轉(zhuǎn)效應(yīng)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的影響響很小。同時(shí)，考慮共共同作用用之后結(jié)結(jié)構(gòu)的前前面三階階振型所所對(duì)應(yīng)的的頻率

8、有有增大的的趨勢(shì)，但從第第四階開(kāi)開(kāi)始不考考慮共同同作用的的振型所所對(duì)應(yīng)的的頻率反反而比較較大。這這說(shuō)明考考慮共同同作用后后，結(jié)構(gòu)構(gòu)的高階階頻率變變小，周周期變大大，減小小了結(jié)構(gòu)構(gòu)的剛度度，1 2 33 4 5頻率率/Hzz 1.05 1.111 22.144 2.63 2.883周期期/s 0.996 00.900 0.47 0.338 00.355考慮共共同和不不考慮作作用時(shí)頻頻率對(duì)比比3諧響應(yīng)應(yīng)分析諧諧響應(yīng)是是分析結(jié)結(jié)構(gòu)在承承受隨時(shí)時(shí)間正弦弦(簡(jiǎn)諧諧)變化化荷載作作用下穩(wěn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)應(yīng)，分析析可以得得到結(jié)構(gòu)構(gòu)位移對(duì)對(duì)頻率的的幅頻特特性曲線線，及其其他結(jié)果果隨頻率率的變化化情況，則在這這些曲線線

9、中可以以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一一步觀察察峰值頻頻率對(duì)應(yīng)應(yīng)的應(yīng)力力。諧響響應(yīng)分析析能預(yù)測(cè)測(cè)結(jié)構(gòu)的的持續(xù)動(dòng)動(dòng)力特性性，從而而能夠驗(yàn)驗(yàn)證建筑筑結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)是否否成功地地克服共共振、疲疲勞及其其他受迫迫振動(dòng)引引起的震震害。3.1非非共同作作用時(shí)的的諧響應(yīng)應(yīng)分析見(jiàn)見(jiàn)圖5，巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)在簡(jiǎn)諧諧荷載作作用下，各個(gè)方方向的最最大振幅幅均出現(xiàn)現(xiàn)在頂點(diǎn)點(diǎn)處。頂頂部的振振幅大于于中部，中部的的振幅大大于底部部，這說(shuō)說(shuō)明巨型型框架結(jié)結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)簡(jiǎn)諧荷載載作用下下表現(xiàn)出出了良好好的線形形響應(yīng)。圖5節(jié)節(jié)點(diǎn)8338（頂頂部）、2200（中部部）、5543（底部）在頻域域范圍內(nèi)內(nèi)對(duì)應(yīng)的的X方向向的振幅幅3.2共共同作用用時(shí)的

10、諧諧響應(yīng)分分析，考考慮了共共同作用用后的巨巨型框架架結(jié)構(gòu)在在簡(jiǎn)諧荷荷載作用用下，各各個(gè)方向向的最大大振幅依依然出現(xiàn)現(xiàn)在頂點(diǎn)點(diǎn)處。頂頂部的振振幅大于于中部，中部的的振幅大大于底部部，這說(shuō)說(shuō)明巨型型框架結(jié)結(jié)構(gòu)在考考慮了共共同作用用時(shí)，在在簡(jiǎn)諧荷荷載作用用下也表表現(xiàn)出了了良好的的線形響響應(yīng)?？伎紤]了共共同作用用后巨型型框架結(jié)結(jié)構(gòu)在低低頻時(shí)所所對(duì)應(yīng)的的頂點(diǎn)振振幅都比比不考慮慮共同作作用時(shí)有有了明顯顯的下降降，然而而到了頻頻率比較較高的時(shí)時(shí)候考慮慮了共同同作用后后巨型框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)比不考考慮共同同作用時(shí)時(shí)的振幅幅反而有有了增加加，如圖圖7所示示。這說(shuō)說(shuō)明考慮慮了共同同作用后后的巨型型框架在在頻率較較高時(shí)表

11、表現(xiàn)出了了一定的的柔性，這與模模態(tài)分析析所得出出的結(jié)論論有了很很好的吻吻合。節(jié)節(jié)點(diǎn)8338（頂頂部）、2200（中部部）、5543（底部）在頻域域范圍內(nèi)內(nèi)對(duì)應(yīng)的的X方向向的振幅幅圖7節(jié)節(jié)點(diǎn)8338在XX方向振振幅對(duì)比比4地震震反應(yīng)譜譜分析譜譜分析將將模態(tài)分分析的結(jié)結(jié)果與已已知的譜譜聯(lián)系起起來(lái)，然然后計(jì)算算模型的的位移和和應(yīng)力，以便確確定結(jié)構(gòu)構(gòu)對(duì)隨機(jī)機(jī)載荷和和隨時(shí)間間變化載載荷的動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)情況，如地震震、風(fēng)載載等。本本文進(jìn)行行了地震震作用下下的結(jié)構(gòu)構(gòu)反應(yīng)計(jì)計(jì)算，如如圖8、圖9。并進(jìn)行行了兩者者每層剪剪力對(duì)比比分析，對(duì)于考考慮了共共同作用用的結(jié)構(gòu)構(gòu)來(lái)說(shuō)，層間剪剪力有了了明顯的的增大，所以，對(duì)于這

12、這組地震震譜來(lái)說(shuō)說(shuō)沒(méi)有考考慮了共共同作用用對(duì)于我我們的上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)是偏于于不安全全的。圖圖8整體體變形圖圖9整體體變形（共同作作用）圖圖10 X方向向剪力對(duì)對(duì)比5結(jié)結(jié)論（11）巨型型框架是是一種剛剛度比較較大的結(jié)結(jié)構(gòu)，它它在各階階模態(tài)下下的位移移響應(yīng)都都較小，類似于于框-剪剪結(jié)構(gòu)。（2）考慮共共同作用用后，結(jié)結(jié)構(gòu)的高高階頻率率變小，周期變變大，減減小了結(jié)結(jié)構(gòu)的剛剛度。（3）巨巨型框架架結(jié)構(gòu)無(wú)無(wú)論是在在考慮了了共同作作用還是是不考慮慮共同作作用時(shí)，在簡(jiǎn)諧諧荷載作作用下均均表現(xiàn)出出了良好好的線性性響應(yīng)。（4）考慮了了共同作作用后巨巨型框架架結(jié)構(gòu)在在低頻時(shí)時(shí)所對(duì)應(yīng)應(yīng)的頂點(diǎn)點(diǎn)振幅都都比不考考慮共同同作用時(shí)時(shí)有了明明顯的下下降，頻頻率較高高時(shí)所對(duì)對(duì)應(yīng)的頂頂點(diǎn)振幅幅反而有有了增加加。這說(shuō)說(shuō)明考慮慮了共同同作用后后的巨型型框架在在頻率較較高時(shí)表表現(xiàn)出了了一定的的柔性，這與模模態(tài)分析析所得出出的結(jié)論論有了很很好的吻吻合。（5）考考慮共同同作用后后巨型框框架的層層間剪力力有所增增加，所所以對(duì)于于砂卵石石地基來(lái)來(lái)說(shuō)，我我們平常常所