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基于结构动力学的框架结构的加固方法
第 26 卷 第 7 期 Vol.26 No.7
河 南 科 学
HENAN SCIENCE
2008 年 7 月 Jul. 2008
文章编号: 1004- 3918( 2008) 07- 0801- 04
基于结构动力学的框架结构的加固方法
孙丽云 1, 秦全胜 2, 巴 超 3, 张瑜英 1
(1. 郑州大学 环境与水利学院,郑州 450002; 2. 郑州大学 新校区建设办,郑州 450002;
河南省第一建筑工程公司,郑州 450002)
摘 要: 分析动荷载作用下框架结构产生较大振动的成因; 通过实际工程的结构动力学模拟分析, 说明合理的结构
设计及消除共振等有关振动的结构因素, 可以达到减振的目的; 提出工程加固施工注意事项, 以及方便、安全与经济
的加固方法; 通过工程实际运营, 证明该方法效果良好 .
关键词: 框架结构; 结构动力学; 动荷载; 共振; 抗振加固
中图分类号: TU 311.3 文献标识码: A
框架结构在动荷载作用下容易产生较大震动[1-3],对河南省濮阳市建委 10 年来提报的危险房建设备的统
计分析得出,开裂引起的危险房屋占 84 %. 经现场检测、观察、鉴定分析可知,引起开裂的原因有以下几种:
一是整体结构经受不住反复振动引起的开裂,约占 36 %;二是在高填土上新建的房屋地基不均匀沉降引起
房屋开裂的占 24 %;三是刚性屋面热胀冷缩造成顶层墙体开裂的占 19 %;四是部分承重构件强度不足引起
墙体开裂的占 15 %;五是施工等其他原因引起的房屋墙体开裂的约占 6 %. 显然振动引起的开裂占的比例
最大,因此提高结构刚度、避免共振显得尤为重要. 本文以濮阳某机械厂车间厂房为工程实例,进行结构动
力学计算和分析,并实施了加固措施.
抗振加固是一个比较复杂的系统问题,涉及到有关振动的诸多因素,以及加固施工措施的选择,还要考虑
到具体工程的特点. 实际工程应根据结构振动原理,提出从整体考虑原结构抗振性能的不足,消除共振[4-5] .
同时提出的具体加固施工措施,使加固方案应施工方便,安全经济,并能很好地解决框架结构在动荷载作用
下的振动问题.
1 较大振幅的成因分析
由于房屋框架结构设计多采用房屋定型图集,往往只考虑房屋的静力学计算,未进行动力学分析计算,
结果失之偏颇,主要表现为以下方面:
未考虑共振现象
根据结构动力学,房屋产生一个强迫振动后,形成干扰频率 f,房屋结构本身也有一个固有振动频率(称
自振频率 f1). 通常认为,0.75 f│f11.25 的区间为共振区,即使未考虑共振,若建筑物的固有频率与产生振
动的干扰频率接近时,也会使结构的强迫振动位移加大. 由于产生的振动是非节奏的,在某一时间片断极
易使 f 接近 f1 ,从而形成共振. 长期的共振会导致构件疲劳和过大变形而损坏.
未考虑结构的最大允许位移
根据结构动力学[6-7],一般认为:只有当 f 1│f 5 时动载作用较小,才可以将动载简化为静载
1│f 0.2 或 f
来计算结构的位移,否则将是不安全的. 根据以上分析,在设计时应进行动载作用下的位移计算,而设计者
往往未考虑振动因素,未进行动载作用下的位移计算,导致结构刚度较小,产生了不安全因素.
未正确估算框架结构的固有频率
在进行数值计算前,有必要对数值计算结果进行估算,以求更快地判断模型是否正确.
考虑 2 个单框结构,其振动微分方程为[8]
收稿日期: 2008- 03- 27
基金项目: 河南省科技攻关项目(0624450002)
作者简介: 孙丽云(1969-),女,河南濮阳人,副教授,博士研究生,主要从事岩土及结构损伤分析等方面的研究.
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河 南 科 学
第 26 卷 第 7 期
1 v
m ! =k1 x,
!
#
#
可以转化为
2 v 2 x
m ! =k ,
#
#
$ !
#
!v=
#
#
#!v=
#
#
$ k
1
m
1
k
2
m
2 x,
x. 令 !1 = k
1
m
1 = f 2
1 ,!2 = k
2
m
2 = f 2
2 ,f1 和 f2 分别为 2 个单框的一阶固 有频率.
显然,任何单自由度的线性系统都可以等效为单位质量,刚度为 图 1 双框结构示意图
Fig.1 The illustration of double-framework structure != k
m 系统. 如图 1 所示的双框结构,有两对质量可以忽略的总刚度分别为
2 2
f = f 1 +f
1
% ,!1 和 !2 的刚片和 2 根单位质量的刚性横撑构成. 对于双框结构[9-10],在上框左端加以水平向右的力 F,产生大小
x 的位移,如图 2 所示 . 该位移
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