高层转运站结构的动力分析及振动控制研究

薛建阳，翟 磊 ，闫春生

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

1 结构水平振动控制方法

对于普通钢筋混凝土框架结构，控制其水平振动和位移的方法主要是提高结构本身的抗侧刚度．常用的加固方案有以下两种：

（1）增设钢支撑：钢支撑宜采用双角钢交叉支撑，通过钢板套箍与原框架构件可靠连接．钢支撑布置如图1（a）所示．

（2）加设钢筋混凝土“门式”剪力墙：考虑转运站与通廊接口布置、机器设备吊装和底部交通需要，将加设剪力墙立面做成“门”形，中部适当开设洞口，并与原框架采用锚筋或现浇钢筋混凝土套连接，形成框架—剪力墙结构．剪力墙立面布置如图1（b）所示．

2 高层转运站振动控制的力学模型与响应分析

2.1 力学模型的建立

某高层转运站为四柱十层的钢筋混凝土框架结构，转载区域为九层、十层，转载方向为90°．框架开间、进深均为9.0 m，结构总高度为50 m，采用变截面框架柱，0～29.1 m以下为900 mm×900 mm，29.1～49.5 m变为为700 mm×700 mm．标高34.1 m以下为无围护墙的敞开式框架结构，布置204输送机机头及动力设备于标高42.4 m平台处，布置205输送机机尾于标高39.1 m平台处．转运站剖面、计算模型分别如图2（a）、2（b）所示．

图2 高层转运站原结构及两种加固方案计算模型Fig. 2 The original structure and computing models of two strengthening scheme

利用有限元软件 ETABS对此高层转运站进行了建模计算分析，混凝土和钢材均采用线弹性、各向同性材料模型，梁、柱均采用空间beam单元，剪力墙采用wall单元，楼板单元选用可直接将楼面荷载传递到与之相连的梁上的膜单元（Membrane），膜厚度采用楼板厚度设计值，边梁刚度放大系数为1.0，中梁刚度放大系数为1.5．由于204输送机所在通廊与转运站相接处有2个支承点，考虑通廊对高层转运站的水平支撑作用，建立力学模型计算分析时，将钢桁架通廊简化为两个Y方向的弹簧支座布置在转运站结构计算模型的相应位置；同理，对205双机所在通廊在X方向上做同样的处理．水平激振力作用位置按滚筒支架基础的锚固螺栓位置以点荷载形式平均分配确定，作用点位置分布如图3所示．

图3 简化弹簧支座布置示意图Fig. 3 The schematic drawing of simplified spring support

2.2 结构的动力特性

截取前5阶振型，采用Ritz（LDR）向量分析法进行模态分析．按“不考虑通廊水平支撑作用”和“考虑通廊水平支撑作用” 两种工况进行．各工况下结构模态频率的计算结果如表1所示．

表1 各振型模态频率的改变情况Tab.1 The changes of modal frequency

可以看出：不考虑通廊水平支撑作用时，由于纵横向柱距相等、构件截面尺寸相等，结构前两阶平动振型对应的自振频率基本相等;考虑通廊水平支撑作用后，增加了结构整体的侧向刚度，同时缩短了结构的自振周期，提高了结构的自振频率．

2.3 结构动力响应分析

分析类型采用线性时程分析；指定振型阻尼比为0.05；荷载工况为稳定运行时机头皮带及机尾皮带对转运站结构的水平拉力幅值：机头 RY=400 kN、机尾RX=50 kN；时程函数为正弦函数；作用周期数为5；频率间隔0.05 Hz；频率范围0.50～5.00 Hz（包含了原结构前10阶自振频率、水平振动频率测试值0.98～1.12 Hz和低频动力设备的振动频率）．为明确两个方向皮带张力各自对转运站结构的影响，以下分析将两个方向的皮带张力分别独立施加，从而得到两种工况下结构水平振动响应．各层参数的参考点为2轴与A轴的交点．

考虑通廊水平支撑作用对结构动力响应的影响程度，分析过程分别建立两种计算模型，即“模型一”（不考虑通廊水平支撑作用）和“模型二”（考虑通廊水平支撑作用）．提取第10层的参考点在激振力作用方向上的频率―位移曲线，如图4、5所示．其中DYn表示机头皮带张力（RY）作用下第n层参考点Y方向位移，DXn表示机尾皮带张力（RX）作用下第n层参考点X方向位移．

图4 原结构模型及两种加固方案各参考点频率―位移曲线 (不考虑通廊水平支撑作用)Fig. 4 The frequency-displacement curve of reference points of original structure and strengthening schemes

图5 原结构模型及两种加固方案各参考点频率―位移曲线 (考虑通廊水平支撑作用)Fig. 5 The frequency-displacement curve of reference points of original structure and strengthening schemes

有限元模拟结果表明，考虑通廊作用时，可以明显缩短高层转运站的自振周期，提高其自振频率，整体刚度明显提高．在不考虑通廊水平支撑作用时，结构刚度沿竖向均匀分布，各层参考点频率―位移曲线峰值均对应相同的频率，且X、Y两个方向均只在第一阶频率处有共振现象，表明高层转运站结构和其他高耸柔性结构一样，侧向水平振动受低频激振力影响显著．采用钢支撑加固和钢筋混凝土剪力墙加固两种加固方案后，峰值点位移显著降低，结构侧向刚度明显提高，共振频率相应增加．

考虑通廊水平支撑作用时对各工况下的结构的动力特性和动力响应进行了比较．基本自振频率比较，如表2所示．水平振动位移峰值比较，如表3、表4所示．图6和图7表示考虑通廊水平支撑作用时，0.5～5.0 Hz频段简谐水平激振力作用下结构在Y方向和X方向的共振频率及相应各参考点的位移幅值．

通过比较可以看出：

(1)对于高层转运站结构，通廊的水平支撑作用在结构水平振动控制中起到了重要作用，如表2～表4所示．但由于转运站结构自身刚度相对较小，局部水平约束使得结构侧向刚度沿竖直方向呈现不均匀变化，且结构自身刚度愈小，这种不均匀性体现越明显．表现为水平力作用下结构侧向变形不均匀，各楼层参考点的峰值位移对应激振频率不统一，在计算频段(0.5～5.0 Hz)内的发生多个频率点共振现象，如图6（a）和图7（a）所示．

(2)采用钢支撑加固方案：在X方向上，考虑到高层转运站与通廊接口设置和设备吊装需要，在顶层A轴、B轴（X方向）柱间未布置支撑，钢支撑不均匀的设置使结构在 X方向上各层的共振频率仍有离散现象，但离散程度明显减弱，如图6(b)所示；在Y方向上，钢支撑设置均匀，结构整体刚度的提高使得局部水平约束对结构局部刚度的改变程度减弱，表现为各参考点有统一的共振频率，且加固后结构在水平力作用下的侧向变形趋于均匀，如图7（b）所示．

(3)采用剪力墙加固方案：由于高层转运站结构整体刚度的提高使得局部水平约束对结构局部楼层抗侧刚度的改变程度大幅降低．表现为各楼层具有统一的共振频率，且在计算频段(0.5～5.0 Hz)内的各层只在一个频率点发生共振现象．同时，由于剪力墙设置均匀对称，加固后高层转运站在水平力作用下侧向变形较均匀，如图6(c)和图7(c)所示.所以建议优先选用钢筋混凝土剪力墙加固方案．

表2 各工况下结构基本自振频率计算结果对比Tab.2 Comparison of vibration frequencies under various operating conditions

表3 各工况下Y向水平振动位移峰值比较Tab.3 Comparison of horizontal displacements in Y direction under various operating conditions

表4 各工况下X向水平振动位移峰值比较Tab.4 Comparison of horizontal displacements in X direction under various operating conditions

图6 RY作用下Y方向的共振频率及参考点位移幅值（水平力标高42.400 m）Fig.6 The resonant frequency and displacement amplitude of reference points under RY force in Y direction

3 结论

(1)通廊对提高高层转运站结构整体刚度效果显著．基于此，为确保通廊纵向有足够的抗侧刚度，建议与高层转运站相邻的第一榀通廊支架做成刚性固定支架；同时，可适当减小一跨通廊的跨度，以提高通廊自身的纵向刚度．

(2)不考虑钢桁架通廊对转运站的水平支撑作用时，结构仅在基本频率处发生明显的低频共振现象，且共振区位移幅频曲线波峰陡峭，之后，随激振力频率的增加结构位移响应逐渐减弱，表明转运站结构和其他高耸柔性结构一样，其侧向水平振动仅受低频激振力影响显著．

(3)在原钢筋混凝土框架柱间增设钢筋混凝土剪力墙或交叉钢支撑，都可减小结构水平侧移，有效提高高层转运站的整体刚度．对于高层转运站，钢支撑自身刚度相对较低，不易保证钢板套箍与原结构构件连接的紧密性和牢固性，相比增设剪力墙方案，其更适合作为一种临时加固方法．

(4)采用剪力墙加固方案：由于高层转运站结构整体刚度的提高使得局部水平约束对结构局部楼层抗侧刚度的改变程度大幅降低，同时还可以实现新增结构构件与原结构在荷载作用下的协同工作，起到了真正减振作用，建议优先选用钢筋混凝土“门式”剪力墙加固方案．

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