比较动态响应Parallel-Placed相邻风和地震作用下高层建筑

文摘

两个parallel-placed相邻高层建筑往往与对方通过被动振动控制装置缓解的目的。这些控制设备的减排效率主要取决于相对动态响应的特点,即反号和同号两栋建筑的反应。研究首先确定一个相对响应因子来估算反号的时间比率反应。随后,由两个相邻高层建筑结构(不同的固有频率比率)受到风和地震作用进行了分析。风致响应计算基于风载从风洞试验获得,而地震反应是通过一套44自然地面运动记录。结果表明,相对位移的因素,速度和加速度反应在风载下,特别是在across-wind方向,比那些在地震作用下,和反号反应因素对风载下的固有频率比的变化与地震作用下两个相邻建筑。本研究的结论可能有利于parallel-placed相邻高层建筑抗风和抗震的设计。

1。介绍

与城市的快速发展,高层建筑往往是构造密切彼此入味(1]。这种有吸引力的建筑系统的一些著名的例子包括在吉隆坡的双子塔,滨海湾金沙酒店,美国纽约的库珀和更多。这些细长parallel-placed相邻高层建筑动态荷载(敏感2- - - - - -4]。当这些建筑都位于地区倾向于同时飓风和地震,他们可能遭受重大损害控制配置。因此,各种被动控制设备可以安装在这些建筑同时控制不良过度风载和地震作用引起的动态响应5- - - - - -7]。

为了设计和安装被动控制设备准确、动态响应特性parallel-placed相邻风和地震作用下高层建筑应该调查同时控制风力和地震导致的振动。与地震作用、风载作用于相邻高层建筑可能更复杂(8]。原因主要有以下两个事实:(1)由于风的复杂的相互作用和外部形状建筑,风载包括顺风向和across-wind组件,主要是通过传入的湍流和旋涡脱落,分别为(9),(2)风载作用在目标建筑可以通过气动干扰强烈影响如果周围建筑物存在(10- - - - - -12]。目前,大多数的文学研究的重点是结构安全的评估即在独立的危害。在地震(13- - - - - -18)或强风(19- - - - - -22]。然而,研究兴趣开发工程师和研究人员调查的设计结构在极端的组合多个危害(23]。火山(24]研究了单个建筑的动态响应与base-isolated设备受到强劲的风载和地震作用进行隔震系统的优化设计。香港和顾25)发现,在高灵活的建筑的横向部队主要由风载、组合加载后考虑风载和地震作用可能更不利而涉及风载在抗震设计。Duthinh和Simiu26)开发了一种对建筑设计方法在强风和地震的地区是重要而满足设计标准的最低要求。马哈茂德和程27)提出了一个概率估计的生命周期成本两个钢框架建筑受到不同的风力和地震强度。郑et al。28]提出multi-hazard-based框架来评估高层建筑物的损害风险同时受到风力和地震灾害。比较下液体储罐的结构动力响应问题的研究风、地震、风和地震作用组合提出了京et al。29日]。他们的研究结果表明,在强风下的动态反应液体储罐的风载下就比那些在地震作用下,和动态响应下wind-earthquake交互更大比独自在风力和地震作用。徐et al。30.)提出了一个分析模型为一个孤立的高层建筑与摩擦摆支座和磁流变阻尼器减少动态组合风载和地震作用下的反应。罗伊和Matsagar31日]调查结合风力和地震灾害对失效概率的影响的多层的钢铁建筑配备被动控制装置。上述大多数研究关注于动态响应或失败的评价一个建筑同时作用下的风和地震。

最好的作者的知识,比较相邻高层建筑的动态响应受风载和地震作用在文献中还没有被彻底调查。因此,在目前的研究中,尝试探讨这些parallel-placed与高层建筑的动态响应特性来控制强风和地震作用下的结构振动。目前的学习安排如下:首先,相邻建筑物的运动方程建立了两种不同的动态荷载下。随后,介绍了由两个相邻高层建筑结构考虑风载从风洞试验获得和天然地震记录。最后,一个相对响应因子识别比较位移,速度和加速度响应与不同的固有频率与相邻建筑的比率在风载和地震作用。

2。数学模型的风和地震波下的相邻建筑

一个集中质量相邻高层建筑草图如图1。这两个建筑,名叫建筑1 (我层)和建筑2 (j层),链接通过一条走廊与刚性支承在一个终端和滑动支座在其他终端。不同的被动控制装置可以安装在层拥有相同的中间走廊的高度,以减轻这些反应时动态响应不满足设计标准的要求。这些不同类型的被动控制装置可以分为displacement-dependent如金属摩擦阻尼器(32,33)或buckling-restrained括号(34)数值,如液体粘滞阻尼器(35- - - - - -39),或惰性acceleration-dependent主要相关设备(40- - - - - -42]。因此,在选择合适的被动控制装置,动态响应特性的相邻高层建筑在风荷载和地震荷载应充分考虑获得一个更好的缓解这些设备的效率。

运动方程的相邻高层建筑没有任何被动控制装置在风载和地震荷载在方程可以表示为(1)和(2),分别。 在那里, , ,和的质量、阻尼和刚度矩阵的两个相邻高层建筑,分别。的集中质量和横向刚度得到每一层的有限元模型的建筑。 , ,和对应的加速度、速度和位移的列向量相邻的高层建筑,分别。是风荷载向量作用于每一层的重心,这可以从风洞试验获得同步多点压力测量。地面运动的加速度在时间吗 ,和是一个列向量 所有条目的条目,等于1。

质量矩阵可以表示为 在哪里和表示死亡,活荷载(正确相互结合)层建筑1和分别为2层建筑。

刚度矩阵可以被定义为 在哪里和代表原始的刚度矩阵建筑1和2,分别。

阻尼矩阵C根据瑞利公式可以表示: 在哪里和是两个标量比例系数。

从质量、阻尼和刚度矩阵是正交模式形状,方程(1)和(2)可以解耦为模态坐标表示的方程(6)和(7),分别。 在哪里 , , , , ,和表示以广义坐标、阻尼比、自然循环频率,广义气动力,和广义质量,振动模式,分别。的上标T表示转置运算符,模态参与系数被定义为

时域积分法,即。,Duhamel’s integral, is used to solve the generalized coordinate在风和地震作用下,制定如方程(9)和(10),分别。 在哪里是阻尼结构的固有频率。

根据模态叠加法,在任意结构的位移响应t可以表示为 在哪里涉及的模式形状的数量,计算结构的位移随时间的变化。

3所示。案例研究

以下部分介绍了一个案例研究的两个相邻高层建筑及相关激励评价动态响应:特别是,风载荷从风洞试验获得同步多点压力测量,而44自然地面运动记录被认为是地震引发激。

3.1。简要介绍两个相邻的高层建筑

相同的结构曾被德Domenico et al。43)为例,分析了由两个相邻高层建筑的主要属性是总结如下。构建1 59层2 268米高度和建筑由55层楼高度为210.2米。的主要维度相邻建筑物和坐标系统的定义为结构分析和风力的方向图所示2(一个)和2 (b)。

两栋建筑的集总质量的分布呈现在图3(一个)的横向刚度x设在沿的两栋建筑小于y设在;最不利的动态响应结果,可能会发生的x设在。因此,只有横向刚度沿x设在绘制在图3 (b)。

根据个人的质量和刚度矩阵相邻建筑,建筑1和2的基本频率。前五个自然频率表列出个人的建筑1。如表所示1,固有频率比率(非功能性需求)被定义为第一固有频率之比1的大楼的2可以估计为0.86/1。对固有频率的影响比相邻建筑物在不同荷载下的动态响应,2号楼的质量调整,使建筑的第一固有频率等于1,这意味着固有频率比等于1/1。

3.2。风洞试验和地面运动时间的历史

风洞试验同步多点压力测量是在汕头大学风洞实验室进行。测试的规模比例模型的原型建筑1:300。在风洞试验中,b型风场模拟根据中国建筑规范(45]。风洞测试进行24风方向从0°- 345°的间隔15°调查风向的影响在结构的动态响应。对于建筑物的位移和加速度反应,基本风压力假定为0.6 kPa和0.35 kPa(分别对应于50年和10年期返回时间)。更详细的信息关于风洞试验可以在文献中找到(44]。

基于风洞试验的结果,基地的归一化功率谱密度(PSD)剪切力建筑1和2在across-wind方向绘制在图4。建设1和2号楼的PSD曲线有明显的峰值对应的无量纲值 = 0.107和0.120,代表了赫兹频率测量,B单个建筑的宽度,表示的意思是风速在建筑物的顶部对应50年重现期,和和代表自备谱和均方根的剪切力,分别。

关于地震激励,邻近高层建筑的动态响应是44岁以下的评价自然地面运动记录,这是两个水平分量从联邦应急管理局获得22日地震的p - 695远场纪录(46]。22日地震中列出的一些地震信息表2。这些地面运动记录已经被使用在以前的研究调查的缓解效应不同的被动控制装置47,48]。44个人和平均PSDs的地震记录图所示5。可以看出这些地震作用的频率主要集中在更高的频率范围相比的风载荷,如图4。

4所示。动态响应分析风和地震作用下相邻的建筑

根据部分中描述的数学模型2、风载和地震作用的部分3,时间历史的位移、速度和加速度响应的相邻高层建筑在风荷载和地震荷载数值估计。定量比较这些响应特性,一个相对响应因子介绍了在这项研究中,定义为是哪一个 在哪里是时间间隔期间的和脉动风致位移响应的组件,或者类似的,建筑的总速度和加速度响应(速度和加速度响应的平均值等于零)有相反的符号,然后呢总统计时间的动态响应。

4.1。位移响应的比较

根据方程(1)方程(11),相邻的时间历史的动态位移响应风载和地震作用下高层建筑评估。的总结构风致响应可以分解为均值和波动的组件。以前的文献[8,43,44,49,50]表明,被动振动控制装置只能抑制波动,因此在调查动态响应特征,只有波动的响应进行了分析。清晰的数字,数字6显示只有50秒钟段的波动位移时间相邻的高楼大厦和阴影部分的历史表明,两栋建筑的位移方向相反;即。,我fthe sign of one response is negative, the other sign is positive. Figures6(一)- - - - - -6 (c)说明风致波动位移响应的时间历史的高度210.2米的相邻建筑物的固有频率比0.86/1 0°、90°和180°风方向,分别。图6 (d)提出了相邻建筑物位移的历史的时间在210.2米的高度在10号地震激发。

一旦时间的历史回顾和地震位移反应得到,相邻建筑物的相对位移因子在210.2米的高度可能估计根据方程(12)。总统计地震反应的时间是一样的每个地面运动记录时间,而风致响应设置为600秒。相对位移的变化因素与风的方向和不同地震波在图所示7。图中红色虚线代表的意思是风的方向和地震作用的价值因素,分别。图7(一)表明风致反号位移因子几乎不随风的方向,虽然几乎不受固有频率比。图7 (b)表明,异号两栋建筑的因素与自然频率的比例远远大于0.86/1与1/1的固有频率比在大多数的地震波。均值(所有44地震记录)的相对位移响应因子为36.5%时固有频率比是0.86/1,这是降低到11.1%时,固有频率比是1/1。

图8显示了相对位移的变化因素与风和地震波下建筑物的高度。图8(一个)表明四风方向下的因素与建筑物的高度不发生显著的变化,并对固有频率比。图8 (b)说明反号的中值系数的两栋建筑受到地震波时小得多的固有频率比等于1/1比,当固有频率比等于0.86/1在任何两个建筑物的高度。

4.2。反应速度的比较

速度响应时间的历史可以从位移的导数获得时间对历史时间。数据9(一个)和9 (b)显示速度响应的时间历史的高度210.2米的两栋建筑的固有频率比0.86/1下across-wind方向(90°)和10号地震激励,分别。图中的阴影部分9意味着两栋建筑的速度响应产生相反的迹象。

反号的变化速度因素与不同的风力和地震作用方向如图10。图10 ()表明,风致速度因素对风的方向和固有频率比率的两栋建筑,因为所有的价值观因素方法大约50%在24风方向和不同固有频率比率。图10 (b)说明相关因素在地震波速度反应敏感的固有频率比两个建筑物。在大多数的地震波,固有频率的因素是相对较低的比率是1/1比0.86/1的固有频率比的条件。地震激发的异号因素的平均值分别为40.3%和25.0%相应的固有频率比0.86/1和1/1,分别。

图11提出了相对速度的变化因素的不同高度两个建筑物风荷载和地震作用下,分别。图(11日)说明不同高度的因素保持稳定和固有频率比的两个相邻建筑,和这些值的因素50%左右的四种典型的风的方向。图11 (b)显示速度的平均值的两栋建筑的固有频率大于0.86/1,当自然频率比率是1/1在任何地震波下的两栋建筑的高度。

4.3。加速度反应的比较

加速度响应时间历史的相邻建筑风载和地震荷载下估计在这一节中。数据12(一个)和12 (b)显示50秒钟时间历史记录的加速度响应下的两栋建筑across-wind方向(90°)和10号地震分别激发。

图13显示了反号加速度响应因子的变化与不同的风的方向和地震作用。图(13日)表明风致加速度响应因子仍然几乎不变,而改变风的方向和固有频率比相邻的建筑,和均值风方向在每个工作条件仍然是50%左右。至于地震作用,人物13 (b)表明地震加速度响应因素的变化引起的固有频率的变化比率没有显著的位移和速度响应的因素如图7 (b)和10 (b),分别。异号加速度响应因子的平均值40.6% 44地震作用下固有频率比率是0.86/1,而因素是40.3%当固有频率比= 1/1。

图14介绍了异号加速度响应因子的变化与两栋建筑的高度风能和地震波。图(14日)表明,加速度响应因素几乎是影响建筑的高度变化和固有频率的比率的两栋大楼顶端的四风的方向,这是类似于风致响应速度因子随高度的变化如图(11日)。关于地震激励,人物14 (b)表明顶部的加速度响应因素层相邻建筑物的固有频率等于1/1的比例情况下固有频率比是0.86/1。

5。结论和讨论

在目前的工作,提出了一个反号响应因素比较的特点,两个相邻的动态响应风载和地震作用下高层建筑,分别。这个因素被定义为时间之间的比率在相邻建筑的动态反应相反的迹象,总统计时间的动态响应。获得以下结论目前研究的结果。(1)波动位移响应的相对位移响应因素变化比这更重要的是具有不同地震作用下不同风的方向。除此之外,这些因素的变化更敏感地震波固有频率比的两栋建筑相比风力载荷。(2)的速度反应,异号的速度响应因素仍然几乎不变改变风的方向和固有频率比的两个建筑物,在风载。然而,在地震作用下,这些因素随不同的地震记录和固有频率比率。此外,风致因素的平均值大于44岁以下的,获得地震因素。(3)关于加速度响应,风致加速度反号的结果因素类似于风致响应,速度和风致加速度因素的平均值也比44地震波。然而,地震加速度的因素不发生显著的变化与不同的地震记录和固有频率的比率比地震位移和速度响应。

一般来说,异号动态响应因素的相邻建筑风荷载的作用下比在地震作用更大。这个结果意味着当建筑物间的被动控制设备安装减轻两个相邻高层建筑的动态响应,风致振动控制的设备的减排效率比地震振动控制。与之前的作品[这个预期是一致的8,43,44,48从作者处理风致振动减轻震陷和建筑物间被动控制装置。在这些研究中,不同的acceleration-dependent调谐惰性阻尼器,即。,TMDI and TLCDI, were employed to control wind-induced and seismic responses of the two adjacent high-rise buildings analyzed in the present work. After the installation of TMDI on the two adjacent buildings, the mean reduction coefficients of the top-level acceleration are 37.5% for Building 1 and 45.2% for Building 2 at the across-wind direction, while the maximum corresponding reduction coefficients under seismic excitations are only 23.0% and 37.5% [43,44]。如果安装TLCDI减轻动态响应,降低系数的风致加速度反应建筑1和2分别为37.7%和42.0%,分别,而相应的降低系数的地震加速度控制只有15.7%和26.1%8,48]。这些发现证实TMDI和TLCDI都更有效地控制相邻高层建筑风致加速度反应,比地震加速度响应。因此,相对响应因子分析在这项研究可以被视为一个适用、合理的指标评价被动控制装置的减排效率甚至之前安装。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了重点实验室的结构和风洞广东高等教育机构。

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50. j .戴Z.-D。徐,p。盖“调谐mass-damper-inerter控制基于惰性的灵活结构的风致振动位置,”工程结构文章ID 109585卷,199年,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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