基礎隔震建筑物居住舒適度影響因素分析

基礎隔震建筑物居住舒適度影響因素分析

建筑的生活舒適度一直是人們關注的問題。隨著隔震技術的發(fā)展，馮氏將基礎隔震建筑的生活舒適度成為一個新問題。項目控制得不好。居住和工作的員工經(jīng)常感到頭暈。例如，當它位于波浪中時，我們必須分析和研究脈沖風荷載的影響，限制建筑物頂部的最大傾角，以滿足舒適度的要求。順風向脈動風荷載主要由順風向湍流所導致,具有較寬的作用頻帶;橫風向脈動風荷載是由于邊界層剝離和旋渦脫落造成的,在建筑物旋渦脫落頻率附近具有明顯的峰值。這兩種脈動風荷載的功率譜密度函數(shù)具有較大的差異,為了研究風對隔震建筑物居住舒適性的影響,需要分析順風向和橫風向脈動風荷載作用下隔震建筑物的動力響應特征。本文考慮了隔震建筑物的彈性變形,在時域上對順風向和橫風向脈動風荷載作用下隔震建筑物的動力響應進行了數(shù)值模擬分析。基礎隔震系統(tǒng)包括疊層橡膠隔震器和鉛阻尼器,疊層橡膠隔震器采用退化滯回模型進行分析,鉛阻尼器則運用雙線形模型分析其恢復力。通過實例,研究了影響隔震建筑物振動特性的一些重要參量,為分析風載下隔震建筑物的居住舒適度提供了一個有效的方法。1動力響應控制方程考慮一個橫截面為矩形的N層隔震建筑物,如圖1所示,把它簡化為一個具有N個自由度的質(zhì)量-彈簧-阻尼器力學模型,Mi、Ki和Ci(i=1,2,…,N)分別是第i個自由度的質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)?；A隔震系統(tǒng)包括疊層橡膠隔震器和鉛阻尼器,MB是隔震系統(tǒng)的質(zhì)量,KE和KD分別是疊層橡膠隔震器和鉛阻尼器的水平剛度。根據(jù)Hamilton原理,風荷載作用下基礎隔震建筑物的動力響應控制方程為[Μ]{¨Q(t)}+{R(t)}={F(t)}(1)[M]{Q¨(t)}+{R(t)}={F(t)}(1)式中{Q(t)}=[qB(t)?q1(t)?q2(t)???qΝ(t)]Τ{R(t)}=[RB(t)?R1(t)?R2(t)???RΝ(t)]Τ{F(t)}=[0?F1(t)?F2(t)???FΝ(t)]Τ{Q(t)}=[qB(t)?q1(t)?q2(t)???qN(t)]T{R(t)}=[RB(t)?R1(t)?R2(t)???RN(t)]T{F(t)}=[0?F1(t)?F2(t)???FN(t)]T這里qi(t)和Ri(t)分別是建筑物第i個自由度的位移和彈性恢復力,qB(t)和RB(t)分別是隔震系統(tǒng)的位移和恢復力,Fi(t)為作用在建筑物第i個自由度的脈動風荷載?；A隔震系統(tǒng)安裝在地下或貼近地面的位置,可以不考慮作用在隔震系統(tǒng)上的風荷載。隔震系統(tǒng)的恢復力與其位移之間呈非線性關系,因此方程(1)是一個非線性方程,可以用雙線性滯回模型來模擬鉛阻尼器的恢復力特性;但是對于疊層橡膠隔震器,根據(jù)力學特性實驗曲線很難判讀它的兩個方向的水平剛度,本文引入退化滯回模型來分析疊層橡膠隔震器的恢復力特性。2疊層橡膠隔震器模型一般阻尼系統(tǒng)自由振動的微分方程為ΜS¨u(t)+CS˙u(t)+ΚSu(t)=0(2)MSu¨(t)+CSu˙(t)+KSu(t)=0(2)令ξ=CS/(2MSω0),ω2020=KS/MS,于是方程(2)可寫為¨u(t)+2ξω0˙u(t)+ω20u(t)=0(3)u¨(t)+2ξω0u˙(t)+ω20u(t)=0(3)對于疊層橡膠隔震器,CS和KS分別為其阻尼系數(shù)和線性剛度。方程(2)所反映的恢復力R(u,t)與位移u(t)的關系如圖2實線部分所示,虛線部分為引入的退化滯回模型的恢復力-位移曲線,用它來描述實線的變化規(guī)律,它所反映的隔震器自由振動微分方程為ΜS¨u(t)+ΚRu(t)=0(4)式中KR值包含了方程(2)中剛度KS和阻尼系數(shù)CS的影響,KR值隨位移大小不同而有兩種取法,類似于雙線性模型,但與雙線性模型有顯著的區(qū)別,這里KR1和KR2的值需通過以下兩個條件或準則導出,即(1)兩個模型系統(tǒng)的周期相同;(2)兩個模型系統(tǒng)位移u與時間t的特性曲線的包絡線保持不變。由條件(1)和(2),可以確定退化滯回模型中兩個參數(shù)KR1和KR2,即ΚR2=0.25ΚS(1-ξ2)(eη+1)2(5a)ΚR1=ΚR2e-2η(5b)式中η=πξ/√1-ξ2?ΚS和ξ可通過疊層橡膠隔震器的力學特性實驗獲得。3風譜函數(shù)適用性順風向和橫風向脈動風荷載時程數(shù)據(jù)值可以利用多點自回歸方法,以過去m個時間的風速線性組合與白噪聲之和給出現(xiàn)時風速,即通過求解這m個隨機過程方程的回歸系數(shù)矩陣來實現(xiàn)對脈動風速的數(shù)值模擬。對于風譜函數(shù),大都認為隨高度而變,我國風載規(guī)范采用Devenport譜,等于忽略了風譜隨高度的變化,本文利用考慮了隨高度變化的日本風譜函數(shù),它適用于具有矩形截面的建筑物。根據(jù)Devenport的建議,建筑物兩點間空間相關特性為coh(f)=exp(-CzfΔz/V10)(6)其中Cz為衰減系數(shù),Δz為兩點間的距離,V10為10m高度處的平均風速。在風載數(shù)值模擬過程中,時程曲線的時間步長取0.05秒,在建筑物響應分析時取用12000(600秒)個風載數(shù)據(jù)。在本文分析中,分別引入順風向和橫風向脈動風載值進行計算,不考慮兩者間的耦合作用。4最大加速度分析為了研究風對隔震建筑居住舒適度的影響,考慮地處我國東南沿海城市(地面粗糙度指數(shù)為0.20)的一個矩形橫截面25m×12m的14層隔震建筑物,其迎風面寬度為25m,建筑物高42m。用14個有限元節(jié)點的質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型來模擬這個建筑,每個節(jié)點僅具有水平運動自由度。在整個響應分析過程中,建筑物的結構阻尼比定為2%。取基本風壓0.8kN/m2,則30年重現(xiàn)期的基本風速V10為35.8m/s。根據(jù)建筑物規(guī)模和隔震系統(tǒng)設計原理,本建筑物隔震系統(tǒng)的主要力學特征如表1所示,隔震后建筑物的基本固有周期為2.23秒,隔震系統(tǒng)的阻尼比為5%。ELCENTRO(1940,最大加速度341.7cm/s2)地震波沿X方向作用時,隔震建筑物的最大加速度出現(xiàn)在建筑物頂部,大小為104.4cm/s2,最大層間位移為0.05cm;隔震器的最大加速度為115.9cm/s2,位移為18.0cm,達到基礎隔震設計的一般要求。對于公寓建筑,頂點加速度不宜大于20cm/s2;對于旅館、辦公樓,頂點加速度不宜大于30cm/s2。表2給出了脈動風力作用下隔震建筑頂部節(jié)點的最大加速度響應值以及隔震器的最大位移和最大加速度值。當平均風速為30m/s時,頂部節(jié)點的最大加速度為22.7cm/s2,雖然這個風速小于建筑物的強度設計風速,即重現(xiàn)期為30年的基本風速35.8m/s,但它已經(jīng)影響到公寓建筑的居住舒適性;而對于基本風速35.8m/s,頂部節(jié)點的最大加速度已達35.1cm/s2,會給人帶來強烈的不舒適感。重現(xiàn)期為50年和100年的基本風速分別為39.4m/s和43.0m/s,這時建筑物頂部節(jié)點的最大加速度響應值分別為42.3cm/s2和52.0cm/s2,比ELCENTRO地震波作用下的加速度響應值要小得多。在目前基礎隔震技術水平條件下,隔震建筑物的高度都受到一定限制,因此基礎隔震建筑的設計強度基本上應該由抗震設計條件決定。地震作用的時間只有幾秒到幾十秒,而強風的作用時間可能是幾個小時到幾天,因此我們在設計隔震建筑結構時,不僅要保證結構的強度安全,而且要保證在強風的作用時間內(nèi)人能夠居住和工作。增加阻尼可以抑制結構的動力響應,對于基本風速35.8m/s的情況,表3給出了隔震系統(tǒng)阻尼比對建筑物頂部節(jié)點順風向最大加速度響應值的影響。當阻尼比從5%增加到20%時,建筑物頂部節(jié)點14的最大加速度響應值從25.0cm/s2減小到18.5cm/s2,即降低了26%,因此發(fā)展高阻尼隔震系統(tǒng)已成為各國現(xiàn)在研究