建筑物結構類型變化對振動響應的影響研究

吳新建 姚錦寶

(1.東華工程科技股份有限公司上海分公司，上海 200233； 2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

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建筑物結構類型變化對振動響應的影響研究

吳新建1姚錦寶2

(1.東華工程科技股份有限公司上海分公司，上海 200233； 2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

建立了不同結構類型的三種建筑物空間有限元模型，分別加上同一種振動荷載，探討了不同結構類型建筑物的振動響應規律，結果表明：鋼結構建筑物的振動響應最小，混凝土結構次之，磚混結構最大。

建筑物，結構類型，振動響應

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，城市規模的越來越大，各類振動以波的形式向周圍傳播，對沿線建筑物的結構安全、精密儀器以及人們的日常生活等造成一定程度的影響。因此，如何減小各類振動對建筑物的影響具有一定的現實意義。

同一振動作用下，不同結構類型的建筑物振動的影響規律也是不相同的。本文中，討論磚混、混凝土框架及鋼結構三種結構類型建筑物在外界振動作用下的響應規律。

1 工程概況

1.1 土體參數

計算模型中的地基土分為兩層，具體參數如表1所示。地基土有限元模型尺寸為建筑物尺寸的10倍以上；土體與建筑物間采用剛性連接，土體有限元模型下部邊界采用固結形式；側向邊界為粘彈性邊界，土體的阻尼比ξ=0.1。

表1 地基土的特性參數

1.2 建筑物參數

建筑物總長度36 m，每間寬度為3.0 m；建筑物總寬度為10 m(為4 m-2 m-4 m三跨結構)。建筑物的平面布置圖如圖1所示。建筑物的阻尼比ξc=0.05。

在空間上，建筑物的層數為6層，層高為3 m，總高度為18 m。建筑物結構類型分框架結構、磚混結構和鋼結構三種類型加以討論，圖2，圖3分別是磚混結構和框架結構建筑物的有限元模型。在框架結構中建筑物的梁、柱以及磚混結構鋼結構建筑物的框架柱、梁常采用格構式，其折算密度：柱密度約為混凝土的1/6～1/5，梁密度約為混凝土的1/3～1/2；框架結構與鋼結構的柱截面尺寸均為450 mm×450 mm，主梁為300 mm×600 mm，次梁250 mm×500 mm；磚混結構的墻厚均為240 mm，構造柱截面尺寸為240 mm×240 mm，圈梁為240 mm×300 mm；三種不同建筑物結構類型的樓板均選用C20混凝土，厚度為10 cm，建筑物的阻尼比ξc=0.05。

具體的結構參數及動力特性計算結果見表2。

表2 建筑物結構參數及其動力特性

從表2中可以看出，截面相同條件下，鋼結構前四階的計算頻率最大，磚混結構計算頻率次之，框架結構計算頻率最小。說明在三種不同的建筑物類型中，鋼結構的整體性最好，框架結構最柔。

1.3 荷載參數

加載分為兩種情況，分別為荷載一(見圖4a))、荷載二(見圖4b))的力與時間的變化曲線；加載點距建筑物間的距離分別為10 m和20 m。

2 振動響應分析

2.1 邊跨振動響應對比

選取邊跨①位置處(見圖1)的加速度振級進行對比分析。圖5，圖6分別是荷載一距建筑物10 m，20 m條件下，三種不同類型的建筑物樓層拾振點處的水平向加速度(如圖5a)所示)和豎向加速度(如圖5b)所示)振級隨樓層的變化規律。

從圖5，圖6中可以看出：

1)兩種不同的距離條件下，三種類型建筑物樓層的豎向和水平向加速度振級都有隨著樓層增高而增大趨勢；

2)4層以下，建筑物豎向振動增加較快，超過4層后，這種增大的趨勢放緩；

3)對于建筑物的豎向振動而言，三種不同結構類型中，鋼結構的振動最小，框架結構混凝土次之，磚混結構的振動最大；

4)對引起建筑物的微振動而言，鋼結構建筑物的抗微動振動效果最好、框架結構次之、磚混結構抗微振動的效果最差，這與文獻[5]中的實測結果結論相一致。

2.2 邊、中跨振動響應對比

為比較三種不同類型建筑物的邊跨與中跨樓層振動情況，選取邊跨中①位置處和中跨中②位置處的振動進行對比(見圖1)。

圖7是在荷載二作用下，兩種不同距離條件下10 m(如圖7a)所示)，20 m(如圖7b)所示)，三種類型建筑物樓層的邊跨和中跨樓板的振動隨樓層的變化規律。

從圖7中可以看出：

1)在兩種不同距離條件下，三種結構類型建筑物邊跨樓板的豎向加速度振級都大于相對應中跨樓板的加速度振級。2)在中跨樓板振動中，磚混結構建筑物的振動也最大，框架結構次之，鋼結構的振動最小，與邊跨樓板的振動規律相一致。3)建筑物邊跨樓板的振動差值要大于相對應中跨樓板的振動差值。此外，三種

結構類型建筑物的邊跨和中跨樓板振動都有隨著距建筑物距離的增加而逐漸變小的趨勢。

3 結語

本文通過討論在不同荷載作用下，對磚混、混凝土框架及鋼結構三種結構類型建筑物振動的響應規律進行了研究，得到以下結論：

1)在荷載的作用下，三種類型建筑物樓層的豎向和水平向加速度振級都有隨著樓層增高而增大趨勢；

2)對引起建筑物的豎向振動而言，鋼結構的振動最小，框架混凝土結構次之，磚混結構的振動最大；

3)對引起建筑物的微振動而言，鋼結構建筑物的抗微動振動效果最好、框架結構次之、磚混結構抗微振動的效果最差；

4)在外界振動荷載的作用下，建筑物邊跨樓板的豎向加速度振級都大于相對應中跨樓板的加速度振級。

[1] 姚錦寶，夏 禾，陳建國.運行列車對附近建筑物振動影響的試驗研究和數值分析[J].中國鐵道科學，2009，30(5)：129-134.

[2] 姚錦寶.考慮土—結構動力相互作用的軌道交通引起的環境振動及隔振措施研究[D].北京：北京交通大學博士學位論文,2010.

[3] 馬宏旺,呂西林.建筑結構基于性能抗震設計的幾個問題[J].同濟大學學報(自然科學版),2002，30(12)：1429-1434.

[4] 袁 俊.城市軌道交通隔振減振機理及措施研究[D].西安：西安建筑科技大學博士學位論文,2010.

[5] 夏 禾，吳 萱，于大明.城市軌道交通系統引起的環境振動問題[J].北方交通大學學報，1999，23(4)：1-7.

Research on the vibration influence laws about different structure type building under load

Wu Xinjian1Yao Jinbao2

(1.ShanghaiBranch,EastChinaEngineeringScienceandTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200233,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

In this paper, the finite element model about three kinds of different structure types building are established. Respectively, with the same kind of vibration load, the vibration response of buildings with different structure types are discussed, and results show that: the steel structure building vibration response is minimum and the concrete structure building is second, the brick concrete structure building is maximum.

building, structure type, vibration response

1009-6825(2016)20-0019-02

2016-05-04

吳新建(1971- )，男，高級工程師

TU311.3

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