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悬挂水箱用于框剪结构减震消能的研究

摘要：本文介绍了结构-悬挂水箱减震系统用于框剪结构减震消能的一些原
理及相对应的地震反应求解方法，包括其工作原理、基本假定、模型建立及使用
结构-悬挂水箱减震系统进行震动控制时不同布置方案相应的地震反应求解方
法。同时还提出了可能对减震效果产生影响的一些参数。在求解地震反应的方法
方面，本文运用了精细积分法，此方法的应用不但使得求解过程得到了简化，而
且还可提高计算精度。

关键字：悬挂水箱；框剪结构；减震消能；

Researchofseismicreflectionreductionandenergydissipationonflyingtanks
forframe-shearwallstructure

ZhongYi

（GuangxiHuaLanDesignandConsultingGroup,Nanning,530011China）

ABSTRACT：Inthispaper,wemainlyintroducetheprincipleofreducing
seismicreflectionbyflyingtanksonstructureandtheexactmethodsofseismic
reflectioncalculating.Includingitsworkingprinciple,thebasicassumptions,model
buildinganduseofflyingtanksforvibrationcontrolofadifferentlayoutofthe
programforsolvingtheseismicresponseofthecorrespondingmethods.Atthesame
time,proposedsomeparameterswhichwouldpossibleimpactthedampingeffect.In
methodofseismicreflectioncalculating,weusethefineintegration,Thismethodis
notonlymakesthesolutionoftheprocesssimplified,butalsoimprovetheaccuracy.

KEYWORDS:Flyingtanks;Frame-shearwallstructure;Seismicreflection
reductionandenergydissipation

1系统工作原理与基本假定

1.1悬挂水箱减震体系工作原理

结构振动控制按是否需要外部能源可分为主动控制和被动控制两种，本文研
究的悬挂水箱减震是利用悬挂水箱摆动产生与地震力方向相反的减震力，从而达
到减震的效果，属于被动控制装置的一种。

该体系的工作原理是：主结构承受动力作用而震动时，水箱也产生与结构相
反方向的惯性运动，减震体系通过吊杆对主体结构施加反向作用力来部分抵消结
构的扰动力，使主结构的震动反应衰减。

影响减震效果的参数主要有：水箱质量、吊杆长度、水箱摆动频率调。

1.2基本假定

建立悬挂水箱结构地震反应分析模型时采用了如下假定:

1)柱与基础之间为固接,不考虑土-结构相互作用的影响;

2)框架结构与悬吊部分结构均处于弹性变形范围之内;

3)悬吊部分与结构相连,不振动的影响,连接件限制了悬吊质量的振动,即连接
件对悬吊部分提供了度和阻尼;

4)采用平面模型计算,梁、柱等恒载按质量处理,悬吊部分恒载取该悬挂质量
乘以准永久值系数.

本文中假设结构中横梁的刚度较大，那么高层建筑结构的振动形式即为层模
型中的剪切型，即横梁只产生平移而没有转动，各层间的层间位移只取决于层剪
力和层剪切刚度。以楼层为基本单元用层刚度表示结构的刚度建立层间模型。水
箱为深水箱，且处于悬挂状态，摆动幅度很小，箱中水波动微弱，简化为单摆，
忽略水箱中水运动脉冲作用的影响，简化模型如图1.

图1简化模型

2结构－水箱系统对结构地震反应的控制

2.1结构－水箱系统运动微分方程

根据动力学理论，结合本文模型可建立结构－水箱系统的运动微分方程如
下：

（1）

（2）

（3）

微分方程中:

M、C、K分别为结构质量、阻尼、刚度矩阵；F为地震力向量；、、为
结构层的位移、层速度、层加速度向量；、、分别为水箱相对于结构所在层的
位移、速度、加速度；为水箱吊杆长；、分别为水箱质量、阻尼常数；为水箱
位置矩阵，H=[000…..1]T(1在第n行)。Fd为水箱对结构的反作用力。

2.2框剪结构侧移刚度的确定

2.2.1框剪结构层单元刚度矩阵

框剪结构由框架结构部分和剪力墙结构部分组