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屋顶花园抗震实验模型数值模拟研究.pdf
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1、第 4卷第 1期 2 0 1 2年 3月 Vo l _ 4 No 1 Ma r 201 2 屋顶花 园抗震 实验模型数值 模拟研 究 王迎丽 李石龙 王 俏 王 鑫 庄得宝 ( 东北石油大学土木建筑工程学院, 大庆1 6 3 3 1 8 ; 黑龙江防灾减灾及防护工程重点实验室, 大庆1 6 3 3 1 8 ) 【 摘要】随着城市化的快速推进 , 房屋的外观设计迎来 了一个新的发展时期 , 其中以屋顶花园的发展最为迅速。 而近年来, 地震灾害频发 , 城市中楼房的抗震减灾越来越受到人们的重视。研究房屋抗震与屋顶花园结合来提 高 房屋 的抗震性能 。利用 A D I N A软件 建立屋顶 花 园的
2、模 型 , 进行地 震动位 移响应研 究。根据 有控模 型和无控模 型 计算结果比较, 得到一些有意义的结论。 【 关键词】屋顶花园;结构抗震;数值模拟 【 中图分类号】 T U 9 8 6 5 ; T U 9 7 3 3 1 【 文献标识码】A 【 文章编号】1 6 7 4 7 4 6 1 ( 2 0 1 2 ) 叭 一 0 0 4 0 0 3 1 屋 顶花园抗震简 介 屋顶花园 , 起源于 2 0 0 0多年前 , 可 以广泛地理 解为在各类建筑物上 的屋顶进行造 园种植树 木花 草。 目前德国和 日本在屋顶花 园方 面具有 世界领 先的技术 , 我国正处于发展时期 。 结构减震控制是一门
3、相对年轻的 , 正处在发展 初期 的交叉学科。我们的设想是 , 将屋顶花园设计 成调谐质量阻尼器 ( T MD) , 由质块 ( 屋顶花园) , 弹 簧与阻尼系统组成 ( 理论模型如图 1所示) , 将其振 动频率 调 整 至 结 构 主 频 率 附 近 , 以 达 到 减震 作 用 1 3 -5 3 。 为结构的刚度系数 , 为控制系统的刚度 系数 , m。 为结构的质量 , m 为控制系统的质量 , c 为 结构的阻尼系数, c 为控制系统的阻尼系数, 为控 制系统的位移 厂 为结构上的控制力 。 图 1 调谐质量 阻尼器 平面图 榭 厚 度 2 O 舞 4 0 、 柱 厚度 3 5 图
4、2 模型尺寸 图 【 基金项 目】 国家大学生创新性实验计划项目“ 屋顶花园滑移减震研究” ( 0 9 1 0 2 2 0 2 1 0 ) 【 作者简介】 王迎丽( 1 9 9 0 一 ) , 女 , 研究方向: 结构抗震。 侧立面 屋顶花园抗 震实验模型数值模拟研 究 4 1 2 ,建模 与数值模 拟 建立两层钢结构框架模型 , 模型尺寸如 图 2所 示 , 图中单位为 m m。建立无屋顶花 园钢框架 有限 元模 型 如 图 3所 示 , 定 义 钢 结 构 的 弹 性 模 量 2 O e l 1 P a 、 泊松 比0 3 、 屈服强度 4 8 e 8 P a等物理参 数 , 然后在屋顶建
5、立接触 面, 在接触 面上设立屋顶 花园( 屋顶花园用带有一定质量的铁板代表) , 屋顶 花园和屋顶上部女 儿墙问用具有 弹性模量和 阻尼 的弹簧连接。有屋顶花园钢框架有 限元模型如 图 4 所示。优化确定 系统 的刚度和 阻尼 系数 。弹簧 系数为 2 9 7 4 N m, 阻尼系数为 2 7 7 N ( l s ) 。 输入地震动加速度如图 5所示 , 计算位移为主 体顶板位移 。 图 3无屋顶花园钢框架有 限元模型 图 4 带有屋 顶花园钢框架有限元模型 0 2 I ) 】 5 一 ( ) 】 鼍) 5 一 ( ) 删l 5 葚-0 l 一 l 5 一 ( ) 2 ( ) ( 4 l l
6、 ( ) 3 一 ( 1 2 0 01 毒 垒 ( ) 一 1 ) _ I ) I 一 ( ) ( J 2 一 ( 03 , _ 。 一 I 州 图 5 地震波 曲线 图6 无屋顶花园钢框架模型地震位移曲线 从 图6的时间一位移曲线分析 中可 以看出 , 不 带有屋顶花园 的结构在受到地震 波作 用过程 中最 大位移是 3 0 6 0 0 2 E一 0 2 m。 带有屋顶花园的模型 , 同样输入 图 5所示 的地 震波 , 在地震作用下摩擦系数取 0 0 5时地震位移 曲 线如图 7所示。接触问摩擦系数 0 0 5时位移最大 值为 1 3 6 0 0 0 e一 0 2 m, 接触 问摩擦 系数
7、 0 1时位移 最大值为 2 0 9 0 O O e一2 m, 接触 问摩擦系数 0 2时 位移最大值为 2 5 0 0 0 0 e 2 m, 见表 1 。 一 量 、 图7 有屋顶花园摩擦系数0 0 5时钢框架 模型地震位移 曲线 表 1 各种 条件下位移反应 m m 惦 。 m 胍 芝 分析表 l , 我们不难发现 , 在屋顶装有屋顶花园 之后确实对房屋结构减轻地震作用效应。 3 结论与建议 结构在无屋顶花园、 有屋顶花园两种情况下 的位移响应数值模 拟表 明, 屋顶 花园减震 效果 明 显 。说 明屋顶 花 园 T MD控制 是 一种 简 单 、 有效 的控制方法 , 可减小建筑 结构在
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