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罕遇地震作用下裙房-主楼结构体系动力特性及地震响应研究

更新时间:2016-07-05

地震灾害具有突发性、毁灭性和不可预测性,并能产生严重的次生灾害,严重威胁着人类的生存[1-2]。另外,裙房-主楼结构体系造型特殊,建筑平面尺度较大,如何准确把握其在地震作用下的抗震性能,防止结构倒塌对保护人民的生命和财产安全具有十分重要的意义。由于裙房-主楼结构体系的重要性和复杂性,除进行多遇地震和设防烈度地震作用的抗震设计外,还需要检验其是否达到罕遇地震的抗震设防标准。目前对罕遇地震作用下裙房-主楼结构体系的研究比较少,很多问题尚处于研究阶段[3-4]

本文研究的目的:通过对结构体系进行模态和地震响应分析,掌握结构在遭受罕遇地震作用时的动力特性和地震响应情况,找出结构体系的薄弱环节,以采取适当的抗震措施,防止出现连续性倒塌,根据分析结果, 检验罕遇地震作用下裙房-主楼结构是否达到抗震设防目标。

1 有限元建模及罕遇地震波设置

1.1 数值模型

假设某一裙房-主楼结构,主楼是框剪结构,总高54 m,18层,层高3 m,裙房是框架结构,高12 m,4层。为使建模工作简化,采用ANSYS软件[5-8]中的APDL语言命令流直接建模,有限元模型如图1所示,其中,框架梁和框架柱采用梁单元BEAM188,楼板和剪力墙采用壳单元SHELL63,为了计算方便,所有材料的密度取2700 kg/m3,泊松比取0.2,不同构件的弹性模量取值如表1所示。

图1 裙房-主楼结构有限元模型图

表1 数值模型参数

构件截面尺寸/m混凝土标号弹性模量/MPa框架柱1.1×1.1C403.25×104外环梁0.4×0.6C403.25×104内框架梁0.5×0.8C403.25×104次梁0.3×0.5C403.25×104剪力墙0.3C403.25×104填充墙0.24C303.0×104楼板0.2C303.0×104框架柱1.1×1.1C403.25×104外环梁0.4×0.6C403.25×104

1.2 人工罕遇地震波合成

根据随机振动理论[9],选用金井清功率谱模型[10],该模型为典型的过滤白噪声模型,并考虑了均匀土层对地震的过滤效果,能够很好地拟合《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[11](注:以下简称《抗规》)中描述的地震加速度反应谱。

人工地震波合成的具体步骤为:

(1) 根据《抗规》确定场地类别、罕遇地震烈度、阻尼比等相关参数,得到地震影响系数。

(2) 确定标准反应谱SaT(ω),通过迭代法求解输入地震波的功率谱密度函数S(ω)。

图3列举了框剪结构有限元模型的前4阶固有频率下的振型,从图中可以看出,第一振型为主楼与裙房均沿着Y向平动变形,底部变形小,上部变形大,沿高度方向呈现弯曲型;第二振型到第四振型以扭转变形为主,由于裙房与主楼毗连,相互作用,产生大小不一的扭转振幅。

二十世纪80年代后期的粉彩人物瓷画已经由传统古典粉彩人物转向了现代粉彩人物,这与国民审美情趣的提升,以及社会经济飞速发展也有着十分密切的关系。社会经济的不断发展繁荣,促使陶瓷行业的不断前进,这给粉彩人物瓷画发展提供了优越的发展环境。而民众在生活水平日益提高过后,解决温饱之余也开始追逐精神上的享受,不断追求以及提高自身的审美造诣。在全国大环境的洗礼下,现代的普罗大众的审美早已发生翻天覆地的变化,由一成不变的传统思维,变换成日新月异的现代审美情趣,因此造就了现代粉彩人物瓷画的飞速发展。

(1)

1.2.4 拟南芥的转化 使用农杆菌介导的花序侵染法,对拟南芥野生生态型Columbia进行转化。待拟南芥种子成熟后即可分批采收,收获T0代的种子置于多个经标记的离心管中保存,进行筛选鉴定。

(3) 选用金井清功率谱模型,借助非线性拟合软件对功率谱密度函数进行拟合,得到金井清模型相应参数。

(4) 将傅里叶幅值谱A(ω)与随机相位谱φ(ω)经傅里叶转换,得到近似的人工波加速度时程a(t)。

(2)

a(t) = FFT-1[A(ω)e(ω)]

(3)

其中,为虚部。

(5) 相对误差检测。

本文提出的基于半球面F-P腔干涉的光学检测器为原子力显微镜的微悬臂偏移检测提供了一种方法,并通过搭建一套实验系统,利用一个球面反射镜与微悬臂组成一个谐振腔,根据多光束干涉的原理获得反射光强与腔长曲线,在曲线中对30 nm的工作范围内进行线性分析,得到99.9%的线性拟合度,微悬臂最小位移分辨力为0.26 nm,满足对微悬臂偏移探测的要求,验证了该方案的可行性.

1.3 罕遇地震波输入

式中{U}为位移向量,对应着系统的各个自由度,[M]为系统的质量矩阵,[K]为系统的刚度矩阵,{C}为系统的阻尼矩阵。

本次采用Fortran对APDL进行读取并执行修改,通过*VREAD命令读取相应的地震波数据矩阵。三种地震波的加速度时程曲线如图2所示。

图2 三种地震波

2 裙房-主楼结构模态分析

2.1 分析过程及结果

另外,由于三种地震波只施加在裙房-主楼结构体系平面图中弱轴方向,所以底层、中间层和顶层的位移变化表现出相似性,也进一步证明了裙房-主楼结构体系抗震响应是以第一振型(水平振动)为主,下一步工作的重点会考虑在裙房-主楼结构体系平面图中强轴方向上施加一定强度的地震波,研究两个方向的波形叠加耦合对振型的影响。

[M]{U′′} + [C]{U′} + [K]{U} = {O}

(4)

在ANSYS的工作目录下,分别建立EI-Centro地震波[12]、汶川地震什邡八角站采集地震波[13]以及人工罕遇地震波的加速度数据文件,时间间隔为0.02 s,持续时间为32 s,需说明的是,汶川地震什邡八角站采集的地震波加速度峰值为5.81 m/s2,震级为8.0,为罕遇地震,把EI-Centro地震波和人工合成波的加速度峰值均调整为与汶川波一致的波形。ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language,简称APDL)是ANSYS的命令文件,可以执行ANSYS分析。利用Fortran可以实现APDL的参数化修改并且调用ANSYS的批处理进行有限元分析。

底层框架柱和剪力墙与地基的连接均采用刚接,考虑结构自重作用,重力加速度值取9.81 m/s2,由于计算模型中的[K]和[M]规模比较大,矩阵阶数较高,采用子空间迭代法(subspace)求解运动控制方程的特征值。与迭代Lanczos法和迭代Ritz向量法相比,子空间迭代法的速度慢一些,但稳定性要好很多,并且算法易于实现。在模态设置选项中,扩展模态数(NO.of modes to extract)输入18。

利用ANSYS程序,采用子空间迭代法(subspace)求解,得出了前18阶模态,进一步分析结构的自振频率以及振型图,观察该结构的自振频率、振型特点和振型曲线。结构18阶固有频率和周期如表2所示。

从表2中可以看出:框剪结构模型前4阶振型的固有频率比4阶振型之后的频率小,且4阶振型之后的频率变化不是很大,模态阶数越高,结构的固有频率变化也就越小,这是符合模态理论的。

表2 各模态对应频率周期表

阶次频率/Hz周期/s阶次频率/Hz周期/s11.51700.6592106.77570.147622.37630.4208116.93510.144232.76330.3619126.93990.144143.53140.2832137.08200.141254.03510.2478147.08510.141164.75080.2105157.08790.141175.59410.1788167.09210.141086.37570.1568177.09420.141096.53530.1530187.09880.1409

参考Zhang等[20]的方法:将制备好的丁香酚微乳与1%的海藻酸钠溶液以体积比1:1混合,磁力搅拌(600 r·min-1)混合均匀,用3 mol·L-1的柠檬酸溶液将混合体系的pH调至4.5,得到海藻酸钠修饰微乳。

4例(6个椎体)出现少量骨水泥渗漏,渗漏率为9.2%,渗漏部位为椎间隙、椎体前缘、椎体侧方,未有椎管内渗漏,均无神经症状。治疗过程顺利,治疗后疼痛明显缓解,未出现感染、出血、气胸、肺栓塞脊髓、神经根损伤及压迫症状。

图3 前4阶振型图

需要指出的是,第一主振型沿X向的整体刚度比Y向的刚度大的多,所以Y向为结构的振动控制方向;第二振型和第四振型均是沿Z向的扭转变形,由于剪力墙和裙房的影响,扭转角度变化不大,固有频率相差较小。这符合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)3.5.3第3款和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)7.1.1条的规定,结构在两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近;也即结构的第一振型宜为平动,扭转周期宜出现在第二振型及以后。

2.2 楼板厚度对结构动力特性的影响

[4]乌一东,胡菱,程旭凯.主楼和裙房交界处地下室底板受力分析[J].建筑结构,2016(s2):516-519.

从图4可以看出,楼板厚度对结构的动力特性有着一定的影响,但楼板厚度并不是越厚越好,厚板不一定对结构抗震性能有利,若楼板厚度过大,结构自重也将变大且不经济。所以,要依据相关规范,对结构的固有特性验算之后方可选择合理经济的楼板厚度。

表3 不同楼板厚度的固有频率和位移表

项目参数板厚/mm100120150180200一阶频率/Hz1.49031.50311.51311.5671.5170二阶频率/Hz2.26362.30592.34592.36802.3763最大位移/mm0.4320.4210.4070.3930.433

图4 固有频率随板厚变化趋势

3 裙房-主楼结构的地震响应分析

考虑到五层裙房对主楼的地震响应的影响,本模型选取主楼的底层、中间层和顶层相应的节点作为三种罕遇地震波作用下的关注节点。图5给出了分别代表底层、中间层和顶层节点的2号角节点、35号角节点和70号角节点的空间位置。

图5 关注的节点位置

图6-图8分别描述了底层、中间层和顶层代表节点在三种地震波作用下的位移响应。需指出的是:EI Centro地震波作为周期长、频率小和强度低的地震波代表,而汶川地震波表现出来的性质正好相反,周期短、频率大以及强度高,人工合成地震波的性质介于二者之间。从三幅图中可以看出,在EI Centro地震波作用下,三个部位的位移表现出逐渐增大的变化趋势,随着时间的增大,节点位移均出现较大的变化;而在汶川地震波作用下,开始阶段节点位移就出现了较大的变化,随着地震作用时间的增长,位移强度的变化幅度不大,趋于平稳;在人工合成地震波作用下,三个节点位置的位移响应包含了EI Centro地震波和汶川地震波作用的性质,即:位移变化幅度平稳,且持续增长,这与预期效果一致。

空调可以改善居住环境的舒适度,但其巨大的能源消耗问题及制冷剂对环境造成的污染问题也不容忽视。在1987年9月,美国、加拿大和其他30多个国家的代表在蒙特利尔研究如何解决制冷剂排放带来的污染问题并签订蒙特利尔协议。参会国家一致认为制冷剂是一种对臭氧消耗非常有害的化学物品,并同意到1999年将制冷剂的产量减少50%,至少有11个国家,即占这些化学物品的全球产量的60%的国家批准后开始实施,我国使用量最大的R22也将在2030年后停止使用[1]。

考虑到阻尼的影响,该模型视为多自由度系统,其自由振动平衡方程用矩阵的形式表示如下:

图6 底层节点位移历程曲线

图7 中间层节点位移历程曲线

图8 顶层节点位移历程曲线

4 结论

通过对裙房-主楼结构体系在罕遇地震作用下的模态和地震响应,及其模态分析,发现主楼与裙房结构的振型主要是以水平振动和扭转变形为主;但随着楼板厚度的增加,结构固有频率出现先增大后

减小的现象。通过地震响应观察,在罕遇地震作用下,以EI Centro地震波为代表的长周期波形激励对主楼的地震响应影响较小,而以汶川地震波为代表的短周期波的激励对整个结构体系的影响很大,不容忽视。

记得几年前某市农技推广部门领导发牢骚,说他们农业推广后续乏人。每年上百所农业院校培养出几十万学农背景的研究生、本科、大专、中专生,为什么农业技术部门还是缺人?是用人单位不要?还是毕业生不去?据了解,很多农业技术服务站新进的年轻人,专业背景有的是学教育的,有的是学财务的,还有学汽车制造的。这些知名大学能够急国家之所急,想社会之所想,适时成立学院,培养农业专业学生,是顺应时代发展。如何让更多学农的学生,或者喜欢农业的毕业生走进农村,融入农业,那才是真的培养了社会需要的人才。

参考文献:

[1]吴中海,赵根模.地震预报现状及相关问题综述[J].地质通报,2013(10):1493-1512.

传统的后期制作技术通过录音来实现影视动画的有声化,很少体现流派风格和美学原则。随着时代需求的变化,对白制作技术逐渐成熟。一方面,后期制作要体现对白的距离感,通过远近不同的声音感觉,呈现差异化的艺术效果;另一方面,后期制作要体现对白的空间感,增强观众的立体感受。对白制作技术包括控制直达声反射声比例、营造混响效果、合理调控音量与音色。

[2]胡幸贤.地震工程学[M].2版.北京:地震出版社,2006:45.

1.培训评价主体的多元化。培训评价主体的多元化即评价的主体并不局限于培训学员,实际可行的做法是由承训机构、受训单位、学员和教师组成评价小组,或分别进行评价,或进行背靠背测评,以保障测评的真实有效。

[3]李俊丽.高层建筑裙房对主楼抗震性能影响的研究[D].合肥:合肥工业大学,2016.

研究表明,使用麻育秧膜,秧苗根系盘结力强,不散秧、不散盘、不漏插,取秧、运秧、装秧的工效提高2至3倍,机插效率提高20%至30%;育成的秧苗根系发达、整齐健壮,可提早3至5天进入适插期;机插后返青快、分蘖早,有利高产,早稻平均增产12.6%,中稻平均增产9.0%,晚稻平均增产5.5%;每亩节本增效110元至160元。截至2017年,我国麻育秧膜应用面积超过6000万亩,直接增产增收达64亿元。

式中,ξ为阻尼比,ρ为反应超过反应谱值的概率,T为持续时间。

剪力墙厚度取300 mm,楼板厚度分别采取100 mm、120 mm、150 mm、180 mm及200 mm,对结构进行模态分析,如表3所示。从表中可发现:随着楼板厚度的增加,结构固有频率出现先增大后减小的现象,而最大位移正好相反。这主要原因是:随着楼板厚度的加大,整个结构的质量和刚度均增大,考虑到无阻尼自由振动理论,从式(1)、式(2)可以看出,薄板(板厚度为100 mm、120 mm、150 mm、180 mm)中,式(1)中[K]和{u}项起影响结构固有频率的主导因素,固有频率随板厚增大而增大,最大位移随板厚增大而减小,而在中厚板(板厚度为200 mm)中,质量矩阵的影响变得越来越大,致使结构固有频率下降,最大位移上升。

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众所周知,经济发达地区使得大量外来人口涌入,形成了较大的人口基数和密度,人口增长率提高,商业地产市场较为广阔,房源供给量大。同时也存在较大的潜在住宅需求,但由于消费偏好和收入水平的阶级化,使得区位好、采光足的房源供不应求,从而使得部分物美价廉的房源价格上涨。

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梁冠军,尤超
《蚌埠学院学报》 2018年第2期
《蚌埠学院学报》2018年第2期文献

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