建筑力学论文：基于共同作用下巨型框架结构的动力特性分析

1、 建筑力学论文：基于共同作用下巨型框架结构的动力特性分析摘要：巨型框架结构由于其平面布置的灵活性和以空间整体受力为特征得到了建筑工程广泛的应用，而基于共同作用机理的巨型框架结构对于不同地基类型的动力响应研究并不深入。本论文对巨型框架结构力学机理进行分析，归纳其简化的力学计算模型，应用有限元对砂卵石土-筏基-巨型框架结构体系在地震作用下共同响应进行数值计算，并对巨型框架结构进行模态、谐响应以及地震反应谱分析，研究得出巨型框架结构考虑了共同作用后在频率较高时表现出一定的柔性，同时，巨型框架的层间剪力有所增加，最后，归纳了巨型框架结构在动荷载下的力学机理与响应，确定其动力特性。本文所得结论对工程实践

2、具一定的指导意义。关键词：巨型框架结构;共同作用；动力特性建筑结构由由地基、基基础和上上部结构构三部分分组成一一个整体体，在力力平衡系系统中各各自刚度度对其它它部分工工作性状状产生影影响，每每部分的的工作性性状都是是三者共共同作用用的结果果，相互互影响，协协同工作作，共同同承受荷荷载作用用。目前前,建筑筑结构抗抗震设计计理论割割裂了上上部结构构与地基基、基础础之间相相互作用用的关系系，这种种设计思思路是具具有一定定的不合合理性，造造成对建建筑物抗抗震能力力评估误误差，从从而在建建筑结构构建成初初期就给给整个建建筑留下下安全隐隐患11。巨巨型框架架结构具具有传力力路径明明确，整整体性能能好等优优

3、点，并并且能够够很好地地适应建建筑布置置变化，日日益受到到建筑工工程界的的重视，得得到广泛泛的应用用2。同时时，砂卵卵石土具具有压实实性好，承承载力较较高，不不易液化化等优良良特性，随随着高层层建筑工工程的发发展，越越来越多多的高层层建筑选选择以砂砂卵石层层为持力力层的地地基形式式3。于是是，巨型型框架结结构的上上部结构构与其地地基基础础共同工工作问题题已经受受到学术术界和工工程界的的高度重重视。根根据目前前高层建建筑共同同工作理理论发展展的现状状，本文文对巨型型框架结结构-筏筏基-砂砂卵石地地基共同同作用方方面进行行相关动动力研究究，所得得结论对对工程实实践具一一定的指指导意义义。1力学模型

4、型某电信信局综合合楼，基基地面积积2 3340 m2，地地面以上上高度为为1400.5 m，建建筑面积积约3.6万平平方米，采采用巨型型框架结结构体系系，楼层层平面为为规则的的长方形形，尺寸寸为299.7 m30.2 mm，基础础埋深114.22 m，四四角设置置四个大大小相等等的钢筋筋混凝土土筒（77.6mm5.66 m），四四角筒与与四道桁桁架层形形成一级级结构，各各道桁架架之间的的框架为为二级结结构。该该综合楼楼位于四四川成都都市红星星大道西西侧，地地基土多多为直径径2110 ccm的卵卵石，填填充物以以中粗砂砂、圆砾砾为主，含含有少量量的细砂砂及粘性性土团块块。本文文采用有有限元软软件

5、ANNSYSS进行力力学模型型的建立立，上部部结构的的柱、梁梁采用BBeamm4单元元，上部部结构的的剪力墙墙、楼板板与基础础的筏板板构件采采用Shhelll63单单元，地地基土采采用Soolidd45单单元，建建立了不不考虑共共同作用用时与考考虑共同同作用时时的巨型型框架有有限元模模型，自自由振动动时所具具有的基基本振动动特性，如如频率、振振型和阻阻尼比等等，对结结构体系系进行动动力特性性分析具具有重要要意义，通通过结构构的振动动频率和和振型曲曲线可以以分析结结构的刚刚度大小小及其刚刚度、质质量分布布的合理理性。2.1非共共同作用用时的模模态分析析由图33可知结结构以水水平振动动为主，一一阶

6、振型型为Y方方向的平平动，二二阶振型型为X方方向的平平动，三三阶振型型为绕ZZ轴的转转动，四四阶振型型为X向向的平动动。从第第五阶振振型开始始出现板板的振动动，梁也也开始出出现弯曲曲，梁板板的变形形随着振振型号的的增加越越来越明明显。以以平动为为主的第第一自振振周期为为T1=1.0050 2 ss，以扭扭转为主主的第一一自振周周期为TT3=00.5558 11 s，其其比值TT1/TT3=11.888。由此此可见，结结构的平平面刚度度比较均均匀，扭扭转效应应对结构构的影响响很小。2.2共同同作用时时的模态态分析由由表1可可知结构构以水平平振动为为主。一一阶振型型为Y方方向的平平动，二二阶振型型

7、为X方方向的平平动，三三阶振型型为绕ZZ轴的转转动，四四阶振型型为X向向的平动动。以平平动为主主的第一一自振周周期为TT1=00.9556 33 s，以以扭转为为主的第第一自振振周期为为T3=0.4467 2 ss，其比比值T11/T33=2.05。由由此可见见，结构构的平面面刚度比比较均匀匀，考虑虑了共同同作用后后结构的的平面刚刚度依然然比较均均匀，扭扭转效应应对结构构的影响响很小。同同时，考考虑共同同作用之之后结构构的前面面三阶振振型所对对应的频频率有增增大的趋趋势，但但从第四四阶开始始不考虑虑共同作作用的振振型所对对应的频频率反而而比较大大。这说说明考虑虑共同作作用后，结结构的高高阶频率

8、率变小，周周期变大大，减小小了结构构的刚度度，1 2 33 4 5频率率/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考虑共共同和不不考虑作作用时频频率对比比3谐响应分分析谐响响应是分分析结构构在承受受随时间间正弦(简谐)变化荷荷载作用用下稳态态响应，分分析可以以得到结结构位移移对频率率的幅频频特性曲曲线，及及其他结结果随频频率的变变化情况况，则在在这些曲曲线中可可以找到到“峰值”响应，并并进一步步观察峰峰值频率率对应的的应力。谐谐响应分分析能预预测结构构的持续续动力特特性，从从而能够够验证建建筑结构构

9、设计是是否成功功地克服服共振、疲疲劳及其其他受迫迫振动引引起的震震害。3.1非共共同作用用时的谐谐响应分分析见图图5，巨巨型框架架结构在在简谐荷荷载作用用下，各各个方向向的最大大振幅均均出现在在顶点处处。顶部部的振幅幅大于中中部，中中部的振振幅大于于底部，这这说明巨巨型框架架结构在在简谐荷荷载作用用下表现现出了良良好的线线形响应应。图55节点8838（顶顶部）、2220（中中部）、5543（底底部）在在频域范范围内对对应的XX方向的的振幅3.2共同同作用时时的谐响响应分析析，考虑虑了共同同作用后后的巨型型框架结结构在简简谐荷载载作用下下，各个个方向的的最大振振幅依然然出现在在顶点处处。顶部部的

10、振幅幅大于中中部，中中部的振振幅大于于底部，这这说明巨巨型框架架结构在在考虑了了共同作作用时，在在简谐荷荷载作用用下也表表现出了了良好的的线形响响应。考考虑了共共同作用用后巨型型框架结结构在低低频时所所对应的的顶点振振幅都比比不考虑虑共同作作用时有有了明显显的下降降，然而而到了频频率比较较高的时时候考虑虑了共同同作用后后巨型框框架结构构比不考考虑共同同作用时时的振幅幅反而有有了增加加，如图图7所示示。这说说明考虑虑了共同同作用后后的巨型型框架在在频率较较高时表表现出了了一定的的柔性，这这与模态态分析所所得出的的结论有有了很好好的吻合合。节点点8388（顶部部）、2220（中中部）、5543（底

11、底部）在在频域范范围内对对应的XX方向的的振幅图图7节点点8388在X方方向振幅幅对比44地震反反应谱分分析谱分分析将模模态分析析的结果果与已知知的谱联联系起来来，然后后计算模模型的位位移和应应力，以以便确定定结构对对随机载载荷和随随时间变变化载荷荷的动力力响应情情况，如如地震、风风载等。本本文进行行了地震震作用下下的结构构反应计计算，如如图8、图图9。并并进行了了两者每每层剪力力对比分分析，对对于考虑虑了共同同作用的的结构来来说，层层间剪力力有了明明显的增增大，所所以，对对于这组组地震谱谱来说没没有考虑虑了共同同作用对对于我们们的上部部结构是是偏于不不安全的的。图88整体变变形图99整体变变

12、形（共共同作用用）图110 XX方向剪剪力对比比5结论论（1）巨巨型框架架是一种种刚度比比较大的的结构，它它在各阶阶模态下下的位移移响应都都较小，类类似于框框-剪结结构。（22）考虑虑共同作作用后，结结构的高高阶频率率变小，周周期变大大，减小小了结构构的刚度度。（33）巨型型框架结结构无论论是在考考虑了共共同作用用还是不不考虑共共同作用用时，在在简谐荷荷载作用用下均表表现出了了良好的的线性响响应。（44）考虑虑了共同同作用后后巨型框框架结构构在低频频时所对对应的顶顶点振幅幅都比不不考虑共共同作用用时有了了明显的的下降，频频率较高高时所对对应的顶顶点振幅幅反而有有了增加加。这说说明考虑虑了共同同作用后后的巨型型框架在在频率较较高时表表现出了了一定的的柔性，这这与模态态分析所所得出的的结论有有了很好好的吻合合。（55）考虑虑共同作作用后巨巨型框架架的层间间剪力有有所增加加，所以以对于砂砂卵石地地基来说说，我们们平常所所做的只只考虑上