高层建筑考虑桩箱—土—结构作用的振动控制

吴 霞

高层建筑考虑桩箱—土—结构作用的振动控制

吴 霞

建立了带桩箱基础的高层建筑考虑 BPSSI的分析模型,推导了其运动方程和控制方程,并分析了 BPSSI对高层建筑结构的振动控制影响,研究结果表明：带桩箱基础的高层建筑结构在进行振动控制研究时应该考虑 BPSSI的影响。

高层建筑,桩箱—土—结构相互作用(BPSSI),振动控制

0 引言

桩箱基础作为建造高层建筑的“万能式桩基”,由于其刚度大,具有良好地调整各桩受力和沉降的性能,逐步成为高层建筑普遍采用的基础形式。

近些年来,对桩基结构的振动控制,国内外学者进行了许多理论研究和实验分析,并且取得了很大的进展。

大量的研究及震害表明：BPSSI可能影响结构振动控制的时滞,进而影响结构振动控制的效果。因此,应该合理考虑 BPSSI的影响。为此,本文建立了带桩箱基础的高层建筑考虑 BPSSI的振动控制模型,推导了其运动和控制方程,研究了 BPSSI对上部结构振动控制的影响。

1 分析模型

本文以一带桩箱基础的高层建筑结构为例,分析 BPSSI对高层建筑结构振动控制的影响。为简化计算,在 Penzien提出的集中质量法基础上,将结构离散为剪切型质点串,并用弹簧和阻尼器来模拟桩土部分的周围土体,使其形成一个包括地下部分的多质点体系,在地震作用下把桩箱—地基土—结构物作为一个完整的体系来分析其动力反应,如图 1所示。假设该结构具有 n个自由度,其自由度由上部结构平动的自由度(n1)、结构转动和桩箱基础的自由度(n2)组成。

2 运动方程的建立及其参数确定

根据以上假设和分析模型,可列出结构体系考虑 BPSSI的运动方程：

其中,M,C及K分别为体系的质量、阻尼及刚度矩阵;M0为体系在不考虑转动和地基土作用时的质量矩阵分别为体系的位移,速度和加速度反应列向量;I为单位列向量;为自由场的地震加速度输入;H为控制力 U的位置矩阵。

3 控制方程的建立与求解

4 算例分析

表1 土层参数

本文采用一单跨 18层带桩箱基础的钢框架结构为例,跨度6m,各层层高均为 3.3 m,楼面质量均为 3×105kg,水平刚度均为 2×109N/m。本文阻尼均采用瑞雷(Rayleigh)阻尼,阻尼比均取 0.05。其箱形基础的平面尺寸为 6.6m×6.6m,箱高 4m,顶板厚 0.5m,底板厚 1.0m,外墙厚 0.6m,内墙厚 0.4m,箱基下沿墙均匀布置 9根 0.4m×0.4m的混凝土预制方桩,桩长 35m,桩身混凝土强度C30,各层土参数见表 1,取地下 -50m为假想基底。在结构顶层(18层顶)设置控制器,输入地震加速度记录为EI-Centro波(南北方向),其加速度峰值调至 2m/s2。经试算,取加权系数 α=100,β=8×10-8。为了研究带桩箱基础的高层建筑结构的振动控制效果,本文根据以上假设条件,通过 Matlab得到了结构的地震响应时程曲线和控制力时程曲线,如图 2所示。

从图 2a)可以看出,结构在主动控制下,考虑BPSSI与不考虑BPSSI相比,其顶层位移响应明显增大,从而得出 BPSSI降低了主动控制的效果;从图中还可以看出,结构在考虑BPSSI时,有控与无控相比,其顶层位移响应有所减小,说明了此时主动控制的有效性。图 2b)为达到相同的控制效果时,不考虑BPSSI时和考虑BPSSI时各自需要的控制力时程曲线图。从图中可以明显地看出,考虑 BPSSI时所需外部控制力要比不考虑BPSSI时大得多,可见BPSSI对结构的影响较大。

5 结语

通过以上分析,可以得出如下结论：1)主控控制可以较好地减小上部结构的地震响应,而BPSSI降低了主动控制的效果。2)BPSSI对带桩箱基础的高层建筑结构的振动控制影响较大,因此进行该结构的振动控制研究时,应该考虑BPSSI的影响。

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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

吴 霞(1983-),女,兰州交通大学硕士研究生,甘肃 兰州 730070