層間加層結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率分析

李朝銀 張 政 鄧 理

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.鞍山三冶建筑工程有限公司，遼寧 鞍山 114000;3.北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司，天津 300201)

1 層間加層結(jié)構(gòu)

層間加層(一變二)的建筑結(jié)構(gòu)在其使用功能及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能都有不可抹去的變化，可以從層高較大的大型商場(chǎng)建筑更改為具有躍層式風(fēng)格的優(yōu)雅型住宅或者具有雙層使用價(jià)值的商品建筑，也可以使原本為大層高的工業(yè)廠房跨越成為因?yàn)楣I(yè)需求的雙層使用廠房或者住宅，從大層高演變成躍層式住宅，即套內(nèi)空間跨躍兩樓層及以上的住宅，其通過設(shè)置戶內(nèi)樓梯連接各樓層。躍層式住宅打破了傳統(tǒng)住宅平面格局，引入了面積加體積的空間概念，充分滿足了強(qiáng)調(diào)生活品質(zhì)與個(gè)性展現(xiàn)這一現(xiàn)代居住觀念的需求，成為當(dāng)前房地產(chǎn)市場(chǎng)時(shí)尚的住宅形式，帶有強(qiáng)烈現(xiàn)代氣息的錯(cuò)復(fù)合體結(jié)構(gòu)，既有豐富順暢的動(dòng)感層次，又有視覺空間深度;既給人以開朗和清新，又有別墅的豪華品質(zhì)，讓空間與生活更加契合，人性需求得到充分滿足。

層間加層后使得原有的結(jié)構(gòu)受力體系及動(dòng)力特性有了較大的改變，其動(dòng)力特性的變化對(duì)于研究結(jié)構(gòu)的地震作用和動(dòng)力效應(yīng)有重要作用，本文探討了加層建筑和原有的大層高建筑的振動(dòng)頻率和振型的數(shù)理關(guān)系。在計(jì)算和探討結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)之前，首先應(yīng)得知結(jié)構(gòu)的自身特性，而自振周期是結(jié)構(gòu)的一種固有屬性，也是結(jié)構(gòu)本身一個(gè)很重要的動(dòng)力特性，由式(1)可見，結(jié)構(gòu)的自振周期與其質(zhì)量和剛度的大小有關(guān)。質(zhì)量越大，則其周期也越大，而剛度越大其周期就越短。

結(jié)構(gòu)自振頻率和周期的關(guān)系為:

動(dòng)力學(xué)研究中還有結(jié)構(gòu)自身阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，嚴(yán)格來說，有阻尼的結(jié)構(gòu)體系的自由振動(dòng)不具有周期性，因?yàn)樵谧杂烧駝?dòng)過程中其振幅不斷衰減，直到振動(dòng)停止。但由于體系的運(yùn)動(dòng)是一種往復(fù)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)每振動(dòng)一個(gè)過程所需要的時(shí)間間隔是相等的，因此把這個(gè)時(shí)間間隔稱為有阻尼結(jié)構(gòu)體系的周期T′，由式(3)可知，體系有阻尼時(shí)的自振頻率ω′小于無阻尼時(shí)的自振頻率ω，這說明由于阻尼的存在，使結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，也就是說使結(jié)構(gòu)的周期增大。

其中，ζ為結(jié)構(gòu)的阻尼比，其計(jì)算式為:

在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，阻尼比ζ的數(shù)值一般都很小，其值大約在0.01～0.1之間，因此有阻尼頻率ω′與無阻尼頻率ω相差不大，在實(shí)際計(jì)算中近似的取ω′=ω。

2 變層前后結(jié)構(gòu)的自振頻率計(jì)算比較

結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度是影響結(jié)構(gòu)自振頻率的兩個(gè)關(guān)鍵因素，在計(jì)算過程中假使結(jié)構(gòu)的原有構(gòu)件尺寸不變(最關(guān)鍵的是保持柱子的尺寸不變)來研究加層(變層)前后結(jié)構(gòu)的自振頻率間的關(guān)系，加層或者變層處理以后如果柱子的幾何尺寸和外形保持不變的情況下，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量將有所增加，同時(shí)由于變層后質(zhì)量的分布變化使計(jì)算過程中質(zhì)點(diǎn)數(shù)的增加，這使得計(jì)算抗側(cè)剛度時(shí)計(jì)算高度變小，即使得剛度變大，下面以計(jì)算例子加以說明變層前后的自振頻率關(guān)系以及分布狀況。

設(shè)有以單層打?qū)痈呓ㄖ?，在?dòng)力計(jì)算或者地震作用計(jì)算中假設(shè)為單質(zhì)點(diǎn)體系，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)化模型及計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1a)所示，橫梁剛度無限大，集中于樓面或屋面的質(zhì)量為m，計(jì)算高度為H，設(shè)層間柱子總剛度EI=1。

圖1 結(jié)構(gòu)體系及計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.1 單質(zhì)點(diǎn)自由振動(dòng)分析

單質(zhì)點(diǎn)自由振動(dòng)體系在不考慮阻尼作用的情況下計(jì)算的自振頻率:

2.2 變層后體系的振動(dòng)分析

為了能夠比較真實(shí)地反映其動(dòng)能性能，結(jié)構(gòu)變?yōu)槎噘|(zhì)點(diǎn)的多自由度體系，并按多質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析。無阻尼自由振動(dòng)中，只有當(dāng):時(shí)，才可能得到有限振幅的自由振動(dòng)。稱為體系的頻率方程，展開一個(gè)具有N個(gè)自由度體系的行列式得到一個(gè)頻率參數(shù)ω2的N次代數(shù)方程。這個(gè)方程的N個(gè)根(ω21，ω22，ω23，…，ω2N)表示體系可能存在的N個(gè)頻率。具有最低頻率的振型叫第一振型，第二低頻率的振型叫第二振型，等等。全部振型頻率按次序組成的向量叫頻率向量[ω]:

單層變雙層(一變二)后簡(jiǎn)化模型和計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1b)所示。

則有:

結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣為:

層間抗側(cè)剛度為:

則頻率方程為:

由上式展開得:

解該方程得:

2.3 對(duì)H1，m1及m2附不同的初始值進(jìn)行討論

以上結(jié)果說明在結(jié)構(gòu)的不同位置加層，得到的新結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和原結(jié)構(gòu)是各不相同的，在變層處理的過程中有時(shí)可能因?yàn)閷?duì)

建筑使用的需要會(huì)出現(xiàn)軸向作用力的影響，在不變的軸向力作用下，計(jì)算結(jié)構(gòu)的振型和頻率的方法和無軸向力的體系完全一致，但是在這種情形中運(yùn)動(dòng)方程中必須包括幾何剛度，即:

頻率方程變?yōu)?

其中，[ˉk]為組合剛度矩陣，體系在軸向力的作用下減小了結(jié)構(gòu)的有效剛度，振動(dòng)頻率因此減小。

3 結(jié)語

通過在保持原有結(jié)構(gòu)柱的幾何尺寸不變的情況下，分別對(duì)沿結(jié)構(gòu)高度方向1/3，1/2，2/3處加層處理后結(jié)構(gòu)的自振頻率分析，得到了各自的振動(dòng)頻率，從結(jié)果中可以清楚表明，在結(jié)構(gòu)的不同位置加層后的自振頻率各不相同，而并非保持不變，且與原結(jié)構(gòu)的頻率比值也沒有規(guī)律性的變化，以此可以在設(shè)計(jì)中加以重視。

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