屋顶花园抗震实验模型数值模拟研究.pdf

第 4卷第 1期 2 0 1 2年 3月 Vo l _ 4 No 1 Ma r 201 2 屋顶花 园抗震 实验模型数值 模拟研 究 王迎丽 李石龙 王 俏 王 鑫 庄得宝 ( 东北石油大学土木建筑工程学院， 大庆1 6 3 3 1 8 ； 黑龙江防灾减灾及防护工程重点实验室， 大庆1 6 3 3 1 8 ) 【 摘要】随着城市化的快速推进 ， 房屋的外观设计迎来 了一个新的发展时期 ， 其中以屋顶花园的发展最为迅速。 而近年来， 地震灾害频发 ， 城市中楼房的抗震减灾越来越受到人们的重视。研究房屋抗震与屋顶花园结合来提 高 房屋 的抗震性能 。利用 A D I N A软件 建立屋顶 花 园的模 型 ， 进行地 震动位 移响应研 究。根据 有控模 型和无控模 型 计算结果比较， 得到一些有意义的结论。 【 关键词】屋顶花园；结构抗震；数值模拟 【 中图分类号】 T U 9 8 6 5 ； T U 9 7 3 3 1 【 文献标识码】A 【 文章编号】1 6 7 4 7 4 6 1 ( 2 0 1 2 ) 叭 一 0 0 4 0 0 3 1 屋 顶花园抗震简 介 屋顶花园 ， 起源于 2 0 0 0多年前 ， 可 以广泛地理 解为在各类建筑物上 的屋顶进行造 园种植树 木花 草。 目前德国和 日本在屋顶花 园方 面具有 世界领 先的技术 ， 我国正处于发展时期 。 结构减震控制是一门相对年轻的 ， 正处在发展 初期 的交叉学科。我们的设想是 ， 将屋顶花园设计 成调谐质量阻尼器 ( T MD) ， 由质块 ( 屋顶花园) ， 弹 簧与阻尼系统组成 ( 理论模型如图 1所示) ， 将其振 动频率 调 整 至 结 构 主 频 率 附 近 ， 以 达 到 减震 作 用 1 3 -5 3 。 为结构的刚度系数 ， 为控制系统的刚度 系数 ， m。 为结构的质量 ， m 为控制系统的质量 ， c 为 结构的阻尼系数， c 为控制系统的阻尼系数， 为控 制系统的位移 厂 为结构上的控制力 。 图 1 调谐质量 阻尼器 平面图 榭 厚 度 2 O 舞 4 0 、 柱 厚度 3 5 图 2 模型尺寸 图 【 基金项 目】 国家大学生创新性实验计划项目“ 屋顶花园滑移减震研究” ( 0 9 1 0 2 2 0 2 1 0 ) 【 作者简介】 王迎丽( 1 9 9 0 一 ) ， 女 ， 研究方向： 结构抗震。 侧立面 屋顶花园抗 震实验模型数值模拟研 究 4 1 2 ，建模 与数值模 拟 建立两层钢结构框架模型 ， 模型尺寸如 图 2所 示 ， 图中单位为 m m。建立无屋顶花 园钢框架 有限 元模 型 如 图 3所 示 ， 定 义 钢 结 构 的 弹 性 模 量 2 O e l 1 P a 、 泊松 比0 3 、 屈服强度 4 8 e 8 P a等物理参 数 ， 然后在屋顶建立接触 面， 在接触 面上设立屋顶 花园( 屋顶花园用带有一定质量的铁板代表) ， 屋顶 花园和屋顶上部女 儿墙问用具有 弹性模量和 阻尼 的弹簧连接。有屋顶花园钢框架有 限元模型如 图 4 所示。优化确定 系统 的刚度和 阻尼 系数 。弹簧 系数为 2 9 7 4 N m， 阻尼系数为 2 7 7 N ( l s ) 。 输入地震动加速度如图 5所示 ， 计算位移为主 体顶板位移 。 图 3无屋顶花园钢框架有 限元模型 图 4 带有屋 顶花园钢框架有限元模型 0 2 I ) 】 5 一 ( ) 】 鼍) 5 一 ( ) 删l 5 葚-0 l 一 l 5 一 ( ) 2 ( ) ( 4 l l ( ) 3 一 ( 1 2 0 01 毒 垒 ( ) 一 1 ) _ I ) I 一 ( ) ( J 2 一 ( 03 ， _ 。 一 I 州 图 5 地震波 曲线 图6 无屋顶花园钢框架模型地震位移曲线 从 图6的时间一位移曲线分析 中可 以看出 ， 不 带有屋顶花园 的结构在受到地震 波作 用过程 中最 大位移是 3 0 6 0 0 2 E一 0 2 m。 带有屋顶花园的模型 ， 同样输入 图 5所示 的地 震波 ， 在地震作用下摩擦系数取 0 0 5时地震位移 曲 线如图 7所示。接触问摩擦系数 0 0 5时位移最大 值为 1 3 6 0 0 0 e一 0 2 m， 接触 问摩擦 系数 0 1时位移 最大值为 2 0 9 0 O O e一2 m， 接触 问摩擦系数 0 2时 位移最大值为 2 5 0 0 0 0 e 2 m， 见表 1 。 一 量 、 图7 有屋顶花园摩擦系数0 0 5时钢框架 模型地震位移 曲线 表 1 各种 条件下位移反应 m m 惦 。 m 胍 芝 分析表 l ， 我们不难发现 ， 在屋顶装有屋顶花园 之后确实对房屋结构减轻地震作用效应。 3 结论与建议 结构在无屋顶花园、 有屋顶花园两种情况下 的位移响应数值模 拟表 明， 屋顶 花园减震 效果 明 显 。说 明屋顶 花 园 T MD控制 是 一种 简 单 、 有效 的控制方法 ， 可减小建筑 结构在 地震激励 下 的动 力 响J直。 在今后的土木工程设计过程 中， 应 当提倡建设 带有屋顶花 园抗震设计 的城 市建筑 ， 这样 ， 在改善 了城市环境 的同时 ， 也减小 了地震灾 害的作用 ， 从 而达到经济和绿化完美 的结合 ， 促进土木工程建设 更快更好 的发展。 参考文献 1 李树华 ， 殷丽丰 世界屋顶花园的历史与分类 J 中国 园林， 2 0 0 5； 2 1 ( 5 ) ： 5 7 - 6 1 2 郭晓园， 唐岱我国屋顶花园的发展现状与趋势 J 山 东林业科技 ， 2 0 0 6 ； 1 9 7 ( 6 ) ： 1 1 8 - 1 2 1 3 王金田， 耿文昌， 鞠翱天调谐质量阻尼器在振动控制 中的应用与发展 J 山西建筑， 2 0 1 0 1 1 ； 3 6 ( 8 ) ： 9 4 - 9 5 4 李金娜工程结构振动控制技术与发展 J 张家 V I 职 业技术学院学报 ， 2 0 0 8 1 2 ； 2 1 ( 4 ) ： 4 8 49 5 李立斌 ， 张亮亮建筑结构地震反应的 A T M D控制分析 J 长沙交通学院学报 ， 2 0 0 7 6 ； 2 3 ( 2 ) ： 5 6 5 7 6 欧进萍 结构振动控制主动、 半主动和智能控制 M 北京科学出版社， 2 0 0 3 ， 1 1 ： 1 8 6 1 9 9 Th e Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n o f Ro o f Ga r d e n Ho us e Ea r t h qu a k e - Re s i s t a n c e Ex pe r i me n t a l M o d e l Wa n g Y i n g l i ， L i S h i l o n g ， Wa n g Q i a o ， Wa n g X i n ， Z h u a n g D e b a o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a ； H e i l o n g fi a n g K e y L a b o r a t o r y of D i s a s t e r P r e v e n t i o n ， Mi t i g a t i o n a n d P r o t e c t i o n E n g i n e e r i n g， D a q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a ) Abs t r a c t： W i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f u r ba n i z a t i o n，t h e h o us e a pp e a r a n c e d e s i g n c o me s t o a ne w d e v e l o p i n g p e rio d，o f w h i c h t h e mo s t r a p i d d e v e l o p me n t i s r o o f g a r d e n I n r e c e n t y e a r s ，a s t h e e a r t h q u a k e d i s a s t e r s h a p p e n e d f r e q u e n t l y，i n t h e c i t y t h e b u i l d i n g s wi t h e a rth q u a k e r e s i s t a n c e p r o p e r t y a r e d r a wi n g mo r e a n d mo r e a t t e nt i o n Co m b i n i n g t h e r o o f g a r d e n wi t h t h e e a rth q u a k e r e s i s t a n c e ，we us e ADI NA s o f t wa r e t o e r e a t e a mo d e l a n d d o s o me r e 。 s e a r c h o n e a rthq u a k e d y na mi c d i s p l a c e me nt r e s p o ns e Ne x t ， c o n t r o l mo d e l a n d c o n t r o l mo d e l c a l c u 1 a t i 0 n r e s uI t s we r e c o mp a r e d a n d s o me me a ni ng f u l c o n c l u s i o ns we r e d i s p l a y e d Ke y W o r d s ： Ro o f G a r d e n；E a rt h q u a k e Re s i s t a n c e：Nu me r i c a l S i mu l a t i 0 n