高層建筑考慮樁箱—土—結構作用的振動控制

吳 霞

高層建筑考慮樁箱—土—結構作用的振動控制

吳 霞

建立了帶樁箱基礎的高層建筑考慮 BPSSI的分析模型,推導了其運動方程和控制方程,并分析了 BPSSI對高層建筑結構的振動控制影響,研究結果表明：帶樁箱基礎的高層建筑結構在進行振動控制研究時應該考慮 BPSSI的影響。

高層建筑,樁箱—土—結構相互作用(BPSSI),振動控制

0 引言

樁箱基礎作為建造高層建筑的“萬能式樁基”,由于其剛度大,具有良好地調整各樁受力和沉降的性能,逐步成為高層建筑普遍采用的基礎形式。

近些年來,對樁基結構的振動控制,國內外學者進行了許多理論研究和實驗分析,并且取得了很大的進展。

大量的研究及震害表明：BPSSI可能影響結構振動控制的時滯,進而影響結構振動控制的效果。因此,應該合理考慮 BPSSI的影響。為此,本文建立了帶樁箱基礎的高層建筑考慮 BPSSI的振動控制模型,推導了其運動和控制方程,研究了 BPSSI對上部結構振動控制的影響。

1 分析模型

本文以一帶樁箱基礎的高層建筑結構為例,分析 BPSSI對高層建筑結構振動控制的影響。為簡化計算,在 Penzien提出的集中質量法基礎上,將結構離散為剪切型質點串,并用彈簧和阻尼器來模擬樁土部分的周圍土體,使其形成一個包括地下部分的多質點體系,在地震作用下把樁箱—地基土—結構物作為一個完整的體系來分析其動力反應,如圖 1所示。假設該結構具有 n個自由度,其自由度由上部結構平動的自由度(n1)、結構轉動和樁箱基礎的自由度(n2)組成。

2 運動方程的建立及其參數確定

根據以上假設和分析模型,可列出結構體系考慮 BPSSI的運動方程：

其中,M,C及K分別為體系的質量、阻尼及剛度矩陣;M0為體系在不考慮轉動和地基土作用時的質量矩陣分別為體系的位移,速度和加速度反應列向量;I為單位列向量;為自由場的地震加速度輸入;H為控制力 U的位置矩陣。

3 控制方程的建立與求解

4 算例分析

表1 土層參數

本文采用一單跨 18層帶樁箱基礎的鋼框架結構為例,跨度6m,各層層高均為 3.3 m,樓面質量均為 3×105kg,水平剛度均為 2×109N/m。本文阻尼均采用瑞雷(Rayleigh)阻尼,阻尼比均取 0.05。其箱形基礎的平面尺寸為 6.6m×6.6m,箱高 4m,頂板厚 0.5m,底板厚 1.0m,外墻厚 0.6m,內墻厚 0.4m,箱基下沿墻均勻布置 9根 0.4m×0.4m的混凝土預制方樁,樁長 35m,樁身混凝土強度C30,各層土參數見表 1,取地下 -50m為假想基底。在結構頂層(18層頂)設置控制器,輸入地震加速度記錄為EI-Centro波(南北方向),其加速度峰值調至 2m/s2。經試算,取加權系數 α=100,β=8×10-8。為了研究帶樁箱基礎的高層建筑結構的振動控制效果,本文根據以上假設條件,通過 Matlab得到了結構的地震響應時程曲線和控制力時程曲線,如圖 2所示。

從圖 2a)可以看出,結構在主動控制下,考慮BPSSI與不考慮BPSSI相比,其頂層位移響應明顯增大,從而得出 BPSSI降低了主動控制的效果;從圖中還可以看出,結構在考慮BPSSI時,有控與無控相比,其頂層位移響應有所減小,說明了此時主動控制的有效性。圖 2b)為達到相同的控制效果時,不考慮BPSSI時和考慮BPSSI時各自需要的控制力時程曲線圖。從圖中可以明顯地看出,考慮 BPSSI時所需外部控制力要比不考慮BPSSI時大得多,可見BPSSI對結構的影響較大。

5 結語

通過以上分析,可以得出如下結論：1)主控控制可以較好地減小上部結構的地震響應,而BPSSI降低了主動控制的效果。2)BPSSI對帶樁箱基礎的高層建筑結構的振動控制影響較大,因此進行該結構的振動控制研究時,應該考慮BPSSI的影響。

[1]雷 超.樁土結構相互作用體系的振動臺試驗研究[D].合肥：合肥工業大學碩士學位論文,2007.

[2]Cai YX,Gould PL,Desai CS.Nonlinear analysis of 3D seism ic interaction of soil-pile-structure systems and application[J].Engineering Structures,2000(22)：191-199.

[3]陳國興.巖土地震工程學[M].北京：科學出版社,2007.

[4]樓夢麟,王文劍.樁基礎上結構TMD控制的振動臺模型試驗研究[J].同濟大學學報,2001,29(6)：636-642.

[5]Maki T,Maekawa K,Mutsuyoshi H.RC pile-soil interaction analysis using a 3D-finite elementmethod with fiber theory-based beam elements[J].Earthquakeengineering＆structural dynamics,2006,35(13)：1587-1607.

[6]王 偉,王 儉.樁箱基礎與地基相互作用高層建筑抗震性能研究[J].世界地震工程,2001,17(4)：128-134.

[7]劉 季,周永程,雷立宏.結構主動控制 AMD系統分析及其優化設計[J].地震工程與工程振動,1996,16(3)：55-60.

Vibration control considered in high-rise building for the Box-Pile-Soil-Structure Interaction(BPSSI)

WU Xia

This paper establishes analyticalmodel for BPSSI in high-rise building,induces itsmotion equation and control equation,and analyzes impacts of BPSSI on the vibration control ofhigh-rise building structure.The study result shows that：BPSSI impacts should be considered in vibration control of high-rise building with pile-box foundation.

high-rise building,Box-Pile-Soil-Structure Interaction(BPSSI),vibration control

TU352.1

A

1009-6825(2011)03-0048-03

2010-09-26

吳 霞(1983-),女,蘭州交通大學碩士研究生,甘肅 蘭州 730070