巨型钢框架结构自振特性分析_周晓峰
钢结构桥梁的自振特性与控制
钢结构桥梁的自振特性与控制钢结构桥梁是现代交通基础设施中常见的一种桥梁型式，具有承载能力强、稳定性好等特点。
然而，钢结构桥梁的自振特性可能导致其在受到外力激励时发生共振现象，进而引发结构破坏和灾害事故。
为了保证桥梁的安全运行，研究钢结构桥梁的自振特性并采取控制措施变得尤为重要。
一、钢结构桥梁的自振特性钢结构桥梁的自振特性主要受到以下几个因素的影响：1. 材料特性：钢结构桥梁采用的钢材具有一定的弹性模量和密度，这些材料特性会直接影响桥梁的固有频率和自振特性。
2. 结构形式：钢结构桥梁的结构形式多种多样，包括悬索桥、梁桥等。
不同结构形式下的桥梁会有不同的固有频率和自振特性。
3. 外力激励：车辆行驶和风力等外力的作用会引起桥梁的振动。
如果外力的频率接近桥梁的固有频率，就会导致桥梁产生共振现象，从而增加桥梁的振动幅度，甚至引发桥梁的破坏。
二、钢结构桥梁的自振控制技术为了减小钢结构桥梁的自振幅度，提高桥梁的稳定性和安全性，需要采取一系列的自振控制技术。
1. 调整刚度：通过增加或减小构件的刚度，可改变桥梁的固有频率，使其远离外力频率，减小共振风险。
例如，通过加装加劲筋、加固节点等方式，增加整个桥梁的刚度，使其固有频率向低频移动。
2. 吸振器：在桥梁结构中安装吸振器可以吸收并分散桥梁振动的能量，从而减小振幅。
常见的吸振器包括液体阻尼器、摩擦阻尼器等。
3. 主动控制系统：通过在桥梁结构中设置传感器和执行器，实现实时的振动调节和控制。
主动振动控制系统可以根据外界振动信号实时调整构件的刚度和阻尼，从而达到减小自振振幅的目的。
三、案例分析以某钢结构桥梁为例，采用了主动控制技术进行自振控制。
在桥梁结构中安装了传感器，实时监测桥梁的振动状态。
当外界振动频率接近桥梁的固有频率时，控制系统会自动调节构件的刚度和阻尼，抑制共振现象的发生。
通过实验和模拟计算，证明了主动控制技术对钢结构桥梁的自振控制具有良好的效果。
在外界激励下，桥梁振幅显著减小，振动能量得到有效吸收和分散，保证了桥梁的安全运行。
巨型框筒-钢子框架结构的隔震分析的开题报告
巨型框筒-钢子框架结构的隔震分析的开题报告一、研究背景及意义随着现代建筑风格的不断演变，建筑结构形式也在不断更新。
而在地震灾害严重的地区，如何加强建筑的抗震能力成为了一个热门的研究话题。
钢子框架结构因其具有的优越的抗震性能，成为了近年来建筑结构工程中的重要一环。
而在巨型框筒中，钢子框架结构的应用有着独特的优势。
巨型框筒作为一种新兴的建筑形式，在建筑领域中得到了广泛的应用。
在地震灾害严重的地区，如何加强巨型框筒的抗震能力，成为了一个迫切需要解决的问题。
因此，对巨型框筒-钢子框架结构的隔震分析进行深入研究，将会为提高建筑的抗震能力提供重要的理论支持。
二、研究内容和方向本次研究将以巨型框筒-钢子框架结构为研究对象，通过有限元软件ANSYS的分析，对该结构进行隔震分析。
主要研究方向包括：（1）定位隔震设计方法定位隔震设计是运用隔震技术，将建筑结构转换为隔震结构，从而减小地震荷载的破坏作用。
本次研究将针对巨型框筒-钢子框架结构，探究其定位隔震设计方法，为今后的工程项目提供实用性的建议。
（2）巨型框筒的地震响应分析将巨型框筒视为一个整体进行地震动力学分析，探究其地震响应的特点和规律。
在模拟地震动力时，为了更加逼真地反映建筑物的实际受力情况，需要选择适当的地震动记录。
（3）基于隔震结构的建筑抗震安全评估基于巨型框筒-钢子框架结构的隔震特点，对该结构进行建筑抗震安全评估。
主要考虑结构的稳定性、位移性能和破坏过程等方面。
三、研究方法和技术路线本次研究将主要采用有限元软件ANSYS进行巨型框筒-钢子框架结构的隔震分析。
具体技术路线如下：（1）对研究对象进行建模和网格划分，建立巨型框筒-钢子框架结构的三维数学模型。
（2）在ANSYS中建立相应的工程模型，通过有限元方法模拟巨型框筒受到地震动的反应过程。
（3）分析巨型框筒-钢子框架结构在隔震系统作用下的地震反应。
（4）评估该结构的抗震安全性。
四、预期成果通过本次研究，预期达到以下成果：（1）探究巨型框筒-钢子框架结构的定位隔震设计方法，为今后的工程项目提供实用性的建议。
框架结构房屋模型抗震减灾性能试验
框架结构房屋模型抗震减灾性能试验闫龙;周雪峰;吕丹丹【摘要】利用低碳、环保的木、竹材料制作的木结构,拟采用模型制作、试验加载与MIDAS/GEN软件进行数值模拟相结合的方法,通过对不同截面和有无支撑的4种不同柱刚度框架结构房屋模型分别施加重力荷载和地震波作用,观察并分析不同柱刚度对地震反应的影响规律,为结构设计合理确定结构的刚度,保证在地震时,结构既不会因刚度过大而受到很大的地震影响,又使得结构有足够小的层间位移,以保证各非受力构件的正常使用.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】3页(P93-94,97)【关键词】木结构;模型制作;试验加载;数值模拟;地震波;刚度【作者】闫龙;周雪峰;吕丹丹【作者单位】西安工业大学建筑工程学院,陕西西安710032;西安工业大学建筑工程学院,陕西西安710032;西安工业大学建筑工程学院,陕西西安710032【正文语种】中文【中图分类】TU352抗震减灾一直是备受关注的结构问题之一，地震对建筑结构的破坏是复杂的，像房屋、桥梁等若经受不住地震荷载，轻者会震裂，重者会倒塌或扭曲。
宜居建筑首先应该是安全建筑，是在重大灾害面前“保证生命安全、减少财产损失”的建筑结构。
传统建筑结构采用“抗”的方式设计，通过加大构件截面尺寸、增加结构刚度来保证建筑安全。
本试验采用低碳、环保的木、竹材料制作模型。
由于采用新材料，无法按一般的钢筋混凝土结构或钢结构的常用构件截面尺寸换算出模型构件的截面尺寸，故根据材料允许应力，由“假设验算”的方法确定，拟定流程如图1所示。
克服构件局部失稳、节点处理、支撑方向、模型荷载、数据采集等一系列问题，利用ANSYS提供的子空间法求解特征方程，采用MIDAS/GEN软件进行结构数值分析，提取多层框架模型结构自振频率与各阶振型。
最后得出保证结构安全应采用“放”的方式设计，例如通过在隔震层设隔震和耗能元件，或在特定层设减震消能构件，降低传到建筑的地震作用来保证建筑安全。
大跨巨型钢框架结构隔震设计与分析
第40卷第8期建 筑 结 构2010年8月大跨巨型钢框架结构隔震设计与分析*李 霆1, 李宏胜1, 孙兆民1, 张季超2(1中南建筑设计院股份有限公司,武汉430071;2广州大学土木工程学院,广州510006)[摘要] 广东科学中心常设展厅E 区为大跨巨型钢框架结构,采用隔震技术,柱底设置隔震支座。
由于柱距较大,无法设置统一的隔震层,另外,因风载较大,抗风与隔震的矛盾难以解决。
工程经过详细分析、试验,创造性地采用了无统一隔震层的隔震设计,并设计采用了小直径、大高度、大铅芯橡胶支座作为抗风装置。
这种支座具有初始刚度大而屈服后水平有效刚度小的特点,有效地解决了抗风与隔震的矛盾。
详细介绍了工程的隔震设计、隔震支座的选型、布置与连接,以及隔震结构分析与试验结果。
[关键词] 隔震;铅芯橡胶支座;隔震层;巨型结构;钢结构;振动台试验Design and analysis of the isolated bearing for long span steel mega frame structureLi Ting 1,Li Hongsheng 1,Sun Zhaomin 1,Zhang Jichao2(1Cen tral sou th Architectural Desi gn Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2School of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China)Abstract :The structure of area E in the exhibition hall of Guangdong Science Center is designed as a long span steel mega frame,using seismic isolation technology,with isolation bearings being laid on the bottom of frame columns.As the colu mn spacing is too long to set continuous isolation layers,due to higher wind load,the contradicti on between wind resi stance and seismic isolation is difficult to solve.After detailed research and test,the discontinuous isolation layers has been creatively adopted in isolation design,and a new smaller diameter and larger height rubber bearing with larger lead core has been used for resistance wind plant.T he new bearing has large initial stiffness and little effective stiffness to solve the contradiction beween seis mic isolation and wind resistance.Details of seismic isolation design including type selection,layout and connection of the isolation bearings are in troduced.Keywords :sei smic isolation;lead rubber bearing;isolation layer ;mega structure;steel structure;shaking table test*广东省科技计划项目(2004B10101048),(2005A11601014),(2006B37301009);建设部科技计划项目(2005 K1 48),(2006 K3 01),(2007 K3 09)。
FPS型巨型框架隔震结构分析
【 要】 摘 利用有 限元程序 Ｓ Ｐ ０ ０对 Ｆ Ｓ型 巨型框架隔震结 Ａ ２０ Ｐ 构和对应的未采用隔振装置的抗震结构进行 分析 对比 ，研究 了Ｆ Ｓ型 巨型框架隔震结构的隔震效果。结果表明： Ｐ Ｐ Ｆ Ｓ型 巨
型 框 架 隔震 结 构 的 隔 震 效 果 明 显 。
震体 系 ， 由于其 出色 的综 合性 能 在 美 国工程 结 构 中
１０ｍ 次框架柱 截面为 ７０ ｍｘ Ｏ ｍ 次框架 ２ ０ ｍ， ０ｍ ７ Ｏ ｍ，
梁 截面 为 ７ ０ ０ｍｍｘ ０ｍｍ。在隔震 结构 中 ， 次框架 ３０ 在 与主 框架 之 间增 设 隔 震装 置 ，使 次框 架 与 主框 架 分
震结构在抗震、 抗风方面都有很好的效果［］ １。由此可 ｆ ２
振 耗 能装 置 ，将 巨型框 架 结 构 分解 为 主框 架 和 多个 设 置 有 隔震装 置 的次框 架 组 成 的结 构 体系 ，从 而形
成一 种 新型 的 巨 型框 架 隔振 体系 。蓝 宗建 、 田玉 基 、
邹 宏 德 、 书亭 、 良等人 对 隔振 耗 能 装置 采 用 铅 芯 梁 房 橡 胶支 座 的 巨 型框 架 隔振 结构 进 行 了振动 台试 验 及 抗震 、 抗风 的研 究 ， 结果 表 明 ： 种 巨型框 架 框 架 隔 这
得 到广泛 的研 究及应 用［］ ３。与铅 芯橡胶支 座相 比， ４ ． 摩 擦摆 动 支座 具 备许 多优 良的性 能 。摩 擦 摆 支座 比橡 胶 支 座 具有 更 高 的承载 力 、更 大 位移 能 力和 更 好 的 耐久 性 ； 座 的高度 低 、 支 强度 高 、 向刚度 大 ， 得 安 竖 使 装 费用 降低 ： 老化 、 在 低温 、 高温 、 扭转 和 非 扭转 条件 下， 摩擦 摆支 座均 具有 明显 的优势 。 因此 ， 本文 把 Ｆ Ｓ隔震 装置 引入 巨型 框架 隔 震 Ｐ 结构 体系 ，主要 分析 了采用 Ｆ Ｓ隔震装 置 的 巨型框 Ｐ 架隔 震结构 的隔 震效 果 。
巨型钢框架结构的二阶分析--中国工程监理人才网
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一、 引言 巨型钢框架结构是现代高层建筑中的一种 新 型 结 构体系， 其巨型柱 由 四 根 立 柱 和 四 面 的 横 梁 与 人 字 支 撑组成， 巨 型 梁 由 两 榀 桁 架 组 成， 如图 % 所示。 巨型 钢 框 架 的 侧 向 刚 度 较 大， 能满足高宽比较大的超高层建筑侧 向刚 度 要 求； 它给建筑提供大开间 和大 高 度 室 内 空 间， 能满足建筑多 功能要求。这种新型结构近年已在 日本 和 德 国 采 用， 我国建筑界也开 始进行研究， 它将成为我国 A % 世纪 超高层建筑的新型结构体系之一。 本文针 对 图 % 所 示 的 高 层 巨 型钢框架结 构 （日 本 东 京 市 政 厅 % 号楼和 B ， 提 C D 大厦的结 构 形 式） 出一个简化分析方法， 以供 方 案 设 计和初步设计参考。 二、 数学模型及等效刚度 采用连续化的数学模 型， 假定 巨型柱的斜撑主要承受水 平 剪 力， 立柱主要 承 受 轴 力， 立 柱 与 横 梁 刚 接， 也承受部分剪 力。假定巨型梁 的 桁 架 弦 杆 仅 承 受 轴 力， 斜撑仅承受 剪力。从而可导得巨型柱和巨型梁的等效刚度如下。 % E 巨型柱的等效刚度 ） 等效剪切刚度 （ % 如图 A （= ） ， 斜撑在单位力作用下的内力和位移为 ／ ! "#$ A %
巨型框架悬挂减振结构的参数分析
给 出了参 数分析 的目标 函数和 约束条件 ， 结果表明 ： 在最优 的阻尼器 的阻尼系数 使综合减振 系数最大 ， 此 时悬挂楼 层 的位 移角也 能得 到有效 控制 ， 且可 以通 过增加 刚度 系数来减 小层间位移角 ｉ 存 在最优 的刚度 系数使综合 减振系数 最大 ， 而此 时悬挂楼 层层 间
楼和上海 浦东展览 馆等 ； 巨型框架 型 的典 型代 表 是建 于 １ ９ ８ ５年 泊松 比 ＝ ０ ． ２ ， 密度 为 ２ ５ ５ ０ ｋ ｓ ／ ｍ ， 材料 阻尼采用瑞 雷阻尼 ； 悬挂 的 中国香港 汇丰银 行大 厦 ， 这 些建 筑均 因其 体量 大 、 艺术 效果 好 次结 构中吊索为 Ｃ Ｆ Ｒ Ｐ筋材 ， 弹性模量为 １ ． ８×１ ０ “Ｎ ／ ｍ ， 泊松 比 而被称为 当地 的标志性建筑 ， 本文所做 的研究就 是基 于这类悬 挂
位移 角可能不满足要求 ， 这可以通过增加 阻尼 系数来保证。
关键词 ： 巨型框架悬挂减振 结构 ， Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ ， 地震 响应
中图分类号 ： Ｔ Ｕ ３ ５ １ 文 献标 识码 ： Ａ
高层悬挂结构体 系可 以分为核心筒体型和 巨型框架型 ， 均在 国 阻尼器 ； 悬挂楼段与 主结构 中巨型框 架梁 的连接 采用 刚接 ， 采 用 内外有典型的应用实例。核心简体型 的典型代表是 ， 建于 １ ９ ７ ０年 的 连接单元 Ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ 中Ｊ ｏ ｉ ｎ＋Ａ ｌ ｉ ｇ ｎ属 性模拟 ， 单元 的相关 介绍 见
第４ ０卷 第 ２ ７期 ２ ０ １ ４年 ９月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣ ＨＩ Ｔ Ｅ Ｃ Ｉ ＵＲＥ
Ｖ ｏ １ ． ４ ０ Ｎｏ ． ２ ７
框架刚度变化对超高层建筑巨型框架结构自振周期的影响
第 ９卷 第 ４期
谢 向东 等 ： 架 刚 度 变化 对 超 高 层 建 筑 巨 型 框 架结 构 自 振 周 期 的 影 响 框
在上 述假 定 条件 下 ， 节线 的纵 向位移 髓， 取 ， （ ）为 本 未知 函数 ， 线 之 间用 插值 函数 （） 于是 ， 节 。 薄 壁筒 的 自由振 动 运动 场 可表示 为 ：
的 ；② 楼层 横 截 面的 环 向正应 力 与纵 向正 应 力相 比可 以忽略 不计 ，即薄 壁筒 筒壁 在 以纵 向正 应力 、纵 向
及 横 向剪应 力 的平 面 应力 状态 下 工作 。
［ 收稿 日期］２ １ ０ ２—０ ２—１ ０ ［ 者 简 介 ］ 谢 向东 （ ９ ５一 ，男 ，１ ９ 作 １７ ） ９ ８年 大 学 毕 业 ，博 士 ，讲 师 ，现 主 要从 事 高 层 建 筑 结 构 分 析 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作 。
示 为 以节 线 未知 函数 为未 知量 的 函数集 合 ，再 通过 哈 密顿 原理 导 出该 结构 自由振 动 的数学 模 型 。
２ 控 制 方 程 的 推 导
为 了便 于 描述 结 构 的位移 ，作 如 下假 定 ：① 对 于刚性 楼 板 ，可认 为楼 层 在其 自身 平 面 内是无 限 刚性
１ 模 型 的 建 立
研 究 中采用 刚性 地 基 。对 于建 筑物 基 础 ，可 以把 刚性 地基 看成 是 建筑 物上 部结 构 的一 部分 。对于 上 部 结 构 ，由于空 间 巨 型框架 结 构… 的特 点 是 其 结 构 由 ２级 框 架 构 成 ，第 一 级 为 巨 型框 架 ，是 承 载 的主 体 ；第二 级 是位 于 巨 型框架 内的辅 助框 架 。巨型 框架 的截 面几 何 尺寸 （ 面积 、惯性 矩 等 ）特 大 ，而 辅助 框架 的截 面 尺 寸 特 小 。上 述 结 构 型 式 具 有 承 载 力 大 、侧 向 刚度 好 且有 良好 的延性 及 抗 震 性 能 的优 点 。为 了用 三 维 模 型 对 这 种 结 构
R_C_巨型框架结构抗震能力设计措施的探讨_段红霞
R 1C 1巨型框架结构抗震能力设计措施的探讨*段红霞(苏州科技学院土木工程系 苏州 215011)李正良(重庆大学土木工程学院 重庆 400045)摘 要:以位于巨型梁上的次框架底层柱底截面组合弯矩设计值增强系数的不同取值为变量,进行多个典型巨型平面框架设计。
采用平面结构弹塑性动力分析程序Drain-2d+,对每个典型巨型框架在地震作用下进行弹塑性时程分析,得出这些巨型框架在地震作用下的受力变形特点、塑性铰出现情况和整个结构的薄弱环节等,从中找出位于巨梁上的次框架底层柱底截面弯矩设计值增强系数取值的正确思路,并给出设计的合理取值,为钢筋混凝土巨型结构设计提出若干建议。
关键词:钢筋混凝土巨型框架结构 弹塑性时程分析 能力设计 柱弯矩增大系数RESEARCH ON DESIGN MEASURES FOR SEISMIC RESISTA NC EOF RC MEGA -FRAME STRUC TURESDuan Hongxia(Department of Civil En g i neering,Suzhou Science and T echnology University Suzhou 215011)Li Zhengliang(College of Civil Engineering,Chongqing University Chongqing 400045)Abstract :This paper provides several typical mega plane frame designs on condition that the variables are the combi nation of varying amplification factors of moment at bottom sections of ground floor columns of the minor frame on the major beams.The elastoplastic dynamic analysis program Drain -2d+of the plane structure is used to get elastoplastic time -history analysis for each typical mega frame under the action of seis m.After the analysis,the information of the mechanical trans mu tation characteristics,the emergency of the plastic hinge and the weak point of the whole structure under the action of seism is obtained,from which the correct thinking of how to obtain the design value of amplification factors of moments at bottom sections of ground floor columns of the minor frame on the major beams is found.The reasonable design values are recommended in this paper in order to provide some su ggestions for the design of the reinforced concrete mega -frame structure.Keywords :reinforced concrete mega -frame structure elastoplatic time -history analysis capaci ty design amplification factor of momen ts at bottom section of column*教育部高等学校骨干教师资助计划项目(教育司[2000]第65号)。
巨型框架多功能减振结构的地震响应分析的开题报告
巨型框架多功能减振结构的地震响应分析的开题报告一、研究背景和意义地震是一种极具破坏性的自然灾害，对于建筑物的结构安全和稳定性有着至关重要的影响。
因此，在设计建筑物时加入减震设备成为一种常用的设计手段。
目前常用的减震设备包括钢结构支撑、阻尼器、摆锤等等，这些设备单一性能较好但是在实际使用中往往不能达到理想效果或是容易出现单点失效的情况。
因此为了提升减震性能，需要进行多方面的研究探讨。
钢筋混凝土框架结构是目前建筑界使用较多的结构形式之一，它具有高刚度、大刚度比和稳定性好的优点。
本文将通过研究巨型框架多功能加固技术，探讨其对于钢筋混凝土框架结构的地震减振效果，从而提高建筑物的抗震能力和安全性，为后续建筑设计提供一定的参考。
二、研究目标和内容本文的研究目标是探究巨型框架多功能加固技术在钢筋混凝土框架结构中的应用，以及其在地震响应中的效果。
主要内容包括以下几个方面：（1）分析巨型框架多功能加固技术的原理和构造，以及其与钢筋混凝土框架结构的匹配情况。
（2）确定研究对象并进行建模，包括钢筋混凝土框架结构和加固后的框架结构。
（3）利用ANSYS等工具进行地震响应分析，比较加固前后的结构在不同地震作用下的响应情况，从而探讨巨型框架多功能加固技术的地震减振效果。
（4）通过实例验证研究成果的正确性和实用性。
三、研究方法和技术路线本文采用以下研究方法和技术路线：（1）文献调研和资料收集，掌握国内外关于减震技术和加固技术的理论知识和实践经验。
（2）借助ANSYS等有限元软件进行建模和地震响应分析，得到加固前后结构的响应曲线和相关结果数据。
（3）对结果数据进行分析和比较，评估巨型框架多功能加固技术的减震效果，从而得出结论和建议。
四、研究进度安排本文的主要研究进度分为以下几个阶段：（1）在第一年，开展文献调研和资料收集，形成研究基础；（2）在第二年，搭建建模和仿真平台，对研究对象进行建模并进行地震响应分析；（3）在第三年，对数据进行分析和比较，得出结论和建议，并进行实例验证。
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层 25~ 26 巨型梁构件 H 10 00 3 50 1 6 28
层 1~ 14 巨型柱支撑 H 350 350 25 25
层 15~ 25 巨型柱支撑 H 350 350 12 19
层 14 巨型梁支撑
H 350 350 19 25
层 25 巨型梁支撑
H 350 350 12 19
所有楼层次框架次梁 H 3 50 2 50 8 12
57 5 236 5 51 9 27 1 39 5 06 2 50 5 77 1 39 506 18 13 850 56 7 450 4 73 364 93 9 554 7 57 5 236 5
20 0 40 6 17 9 03 7 13 5 81 6 17 8 81 7 13 5 81 6
3 130 56 7 450 4
一、引言
巨型钢框架不再象传统的高层建筑那样结 构特征 比较单一, 因此, 采 用通常 的动力计 算模型[ 1 3] 进 行巨 型钢框架的自 振特 性分析 是否合 适, 还 值得商 榷。为 此, 首先对不同的 巨型钢 框架 结构计 算模式 进行 基本 自振特性分析, 从总体上比较它们之间的刚度、质量分 布的异同, 从而弄清楚在巨型钢框架结构中次 框架、楼 板对整体刚度的贡献以 及主、次框架 节点在 铰接 或刚 接模式时计算 结果 的不同。最 后, 还 对该结 构中 的主 要构件截面进行了参数 分析, 得出了 一些有 益于 结构 设计的结论。
4
图 2 模式 1 的前 10 阶振型和对应的周期( s)
由图 2 可以 看出, 当 不考 虑次框 架的 刚度对 结构 整体刚度的贡献时, 结构的振型较为复杂, 除前 5 阶表 现为单一模态外, 对于高阶模态, 结构的振动表现出一 种复合状态, 在振 动中既 有 x , y , z 向的分 量, 还 存在 着扭转分量。而图 3 则更为清晰地反映出巨型钢框架 的主、次框架的协同工作性能。从图中可以看出, 侧移 振型特征与普通框架 结构的 剪切 型不一 样, 而 是呈现 出组合弯剪型变形特征。在前 10 阶振 型中, 第 3 阶为 单向扭转振型, 第 6 阶为有一个反弯点的扭转振型, 第 7, 10 阶的振型为竖向振型, 表 明象巨 型钢框架 这样的 空间受力性能优良的 结构体 系, 若 按葫芦 串或 平面模 型分析则 无法反 映其特征。 在图 2, 3 中还可 发现, 巨 型梁在结构的整体变 形中作 用巨 大, 在布 置巨 型梁楼 层的高度内结构侧向变形相对很小, 而巨型梁上、下的 楼层部分变形却突然 加大, 这 预示 着在动 力荷 载作用 下, 结构在布置巨型梁 的楼层 部位 可能会 产生 变形及 应力集中。
73 364 54 844 76 20 0 40 6
对该算例分别按上述的五种计算模式进行 动力特 性分析, 图 2, 3 分别为模式 1, 4 的前 10 阶振型 与周期 情况, 表 2 为计 算模式 2, 3, 5 的结构 的前 10 阶 周期。 模式 2, 3, 5 的基本振型与模式 4 类似。
第 31 卷 第 6 期
建筑结构
2001 年 6 月
巨型钢框架结构自振特性分析
周晓峰 董石麟
( 浙江大学土木系 杭州 310027)
[ 提要] 对巨型钢框架这种新颖的结构体系进行自振特性的研究, 不仅可以判断结构质量和刚度是否匹配, 刚度是否合理, 还可以对结构在承受诸如风、地震等动力作用时的基本受力性能有全面的了解。针对日本神 户 T C 大厦的工程实例, 通过不同的计算模式对其进行计算, 并详细、深入地比较了五种计算模式假定下的计 算结果。为进一步研究不同的设计参数取值对计算结果的影响, 系统分析了巨型梁、柱构件截面、巨型梁布置 位置和布置个数等参数发生变化时各阶振型、频率的变化趋势, 其结果对工程设计能起到借鉴的作用。 [ 关键词] 巨型钢框架 自振特性 振型 频率
为全面地分析不同的假定对结构整体的抗侧刚度 的影响, 考虑以下几种 计算模 式: 1) 仅考 虑主框 架, 次 框架的自重以集中质 量方式 加在 主、次框 架相 应的节 点上, 不考虑楼板刚度, 计入楼板自重; 2) 考虑主、次框 架协同工作, 节点刚 接, 同样 不计 楼板刚 度, 仅 考虑楼 板自重; 3) 考虑主、次框架协同工作, 节点铰接, 同样不 计楼板刚度, 仅考虑楼 板自重; 4) 考虑主、次框 架协同 工作, 节点 刚接, 楼 板刚度、质 量均计 入; 5) 考 虑主、次 框架协同工作, 楼板刚度、质量均计入, 但主、次框架间 以铰接形式连接。
7#
800 800 30 30 923 34 913 530 913 530
8#
750 750 30 30 862 85 746 420 746 420
9#
650 650 30 30 743 67 477 480 477 480
从图 2, 3 和表 2 可以看出, 无论哪种计算 模式, 其 对应的前几阶周期 ( 频率 ) 相差 均较 大, 而其 余的 高阶 振型的周期( 频率) 相差却很小, 随着振型阶数 的提高, 它们之间的差 别也随 之减 小, 几 乎是 连续 变 化。表 2 中有些阶周期相等则反映了结构的对称振型。 比较五 种计算模式可以看出, 尽 管各 计算模 式的结 构总 重是 相等的, 但各阶周期却有较大的不同, 而且以 模式 1 及 模式 4 差别最大, 其前 25 阶周期变化曲线见图 4。
周期
T1 T2 T3 T4 T5 ( s)
模式 2
2 14 2 14 1 85 0 674 0 673 0 609 0 580 0 446 0 350 0 346
模式 3
2 53 2 53 2 24 0 781 0 780 0 713 0 608 0 530 0 500 0 485
表2
模式 5
2 31 2 31 1 52 0 716 0 714 0 497 0 362 0 361 0 361 0 302
图 1 算例 1 结构布置图
算例 1 的截面特性
表1
构件
截面尺寸( mm)
A ( cm2) I y ( cm4)
I z( cm4)
层 1 巨型柱构件
750 750 70 7 0 1 9 04 1 48 2 899 1 482 899
底层 次框 架柱
700 700 28 2 8
其余 楼层 次框架 柱
400 400 20 2 0
层 1~ 13 次框架主梁 H 10 00 4 50 2 8 36
层 16~ 24 次框架主梁 H 10 00 3 50 1 6 28
347 250 1 70 4 232 1 70 4 82 1 7 52 6 304 5 83 8 347
在许多 工程实 际问题中, 通常并 不需要计 算结构 所有的特征对, 前面若 干个低 阶自 振频率 和相 应的振 型对结构位移和内力的贡献占绝对优势, 因此, 采用子 空间迭代法[ 2] 计算结构的若干低阶特征对。
三、工程算例及分析 1 基本自振特性
3
算例 1 以日本 T C 大厦为例, 如图 1 所示, 平面 尺寸为 32m 33m, 高 度为 103m。结 构杆 件采 取表 1 的截面布置方式。
的取值变化引起的结构周期改变进行分析比 较。结构
构件的截面从表 3 中选取。
构件截面编号
表3
截面 编号
截面尺寸
面积 (cm2)
Ix ( cm 4)
Iy ( cm4)
1#
850 850 70 70 2 183 76 2 232 100 2 232 100
2#
800 800 70 70 2 045 76 1 833 000 1 833 000
二、计算模式和计算方法 巨型钢框架动力特性的计算因简化方式的 不同而
有不同的计算模式。为使分析结果能更准确地 反映实 际结 构 的 受力 特 性, 对 梁、柱、支撑 构 件采 用 AN SYS 程序中的空间梁单元来进行分析。巨型结构内 部一般 具有大跨空间, 结构墙体和柱均很少, 因此楼板 在结构 整体中的 作 用与 普通 结构 相 比存 在较 大的 差 别[ 4 7] , 楼板分析采用了能同时 考虑平 面内、外的荷 载和 变形 的空间四节点板壳单元, 该单 元节点 有 6 个 空间 自由 度, 能够顺利地与空间梁单元协调, 计算精度较高。
目前, 已有 的巨型 结构的分 析计算 中只分析 主框 架, 次框架不进入计算, 仅将次框架的自重作为 集中质 量加在主、次 框架 的相交 节点上[ 8] 。 但完全 不计次 框 架对整体 结构 的 刚度 贡献 是 否合 适, 还需 深 入研 究。
对于高层钢结构的实际连接形式在计算模型中的假定
也是目前高层钢结构研究中需重点解决的问题。因为 在实际工程施工中, 真 正的刚 接和 铰接都 是不 容易做 到的, 只能是接近于刚接或接近于铰接[ 9] , 而在巨型钢 框架中节点处理更加 复杂, 不 仅具 有普通 钢结 构中的 节点连接, 更值得关 注的是, 主、次 框架的 连接 是否能 完全反映 主框架承受 全部侧 向荷 载及次 框架 传来的 竖向荷载, 次框架只承受自身重量 这一巨型结构的最 根本的特点。
层 2~ 14 巨型柱构件
700 700 70 7 0 1 7 64 1 18 1 292 1 181 292
层 15~ 25 巨型柱构件 700 700 28 2 8 7 52 6 56 7 450 4 56 7 450 4
层 14~ 15 巨型梁构件 H 10 00 4 50 2 8 36 5 83 8 93 9 554 7 54 844 76
For the steel mega frame, analyzing its dynamical properties can not only judge its rigid degree, but also estimate its overall behaviors under w ind or seism ic loads excitation. At first, five dynamical analytical models are presented. Sec ondly, by calculating a typical example, some different results caused by different models are obtained, and compared carefully. Moreover, after having changed som e parameters, such as the sections of huge beams and huge colum ns, the huge beams s location or number, etc, the natural frequencies and vibration modes for different parameters have been discussed. At last, suggest ions for the design of mega frame are given. Keywords:steel mega frame; dynam ical properties; vibration modes; natural frequency