位移量控制（共5篇）
位移量控制 篇1
0 引言
数控排布机是航天、航空及电子生产领域的关键加工设备, 可用于玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、织物布等材料制品的零部件生产。其控制系统常常要求实现多个轴的运动轨迹和运动速度相互匹配。针对在旋转轴和直线轴相关联的运动控制中, 在位置和速度均未知的情况下, 进行两轴的位移量相匹配的控制问题, 以数控排布机为例, 介绍一种用SIMOTION D控制器实现以时间为基础的各轴位移量的控制方法。
此运动控制系统中, 轴一为旋转轴, 在直角减速机后安装一个滚筒, 滚筒的直径已知;轴二为直线轴, 通过丝杠导轨带动工作台移动。两轴按照计算出的轨迹精确运行, 即轴一旋转一圈, 轴二移动一个可设定的位移量。在上位中设定“滚筒”、“纱宽”、“长度”等参数, 通过数学模型计算后, 得出运行轨迹, 使得两轴同步到达指定的位置后自动停止。
1 系统组成
1.1 硬件部分
碳纤维无纬布排布机机械部分的执行件为滚筒, 直径为800mm, 宽度为1000mm。轴一减速机的减速比为70∶1, 轴二减速机的减速比为50∶1。电气控制系统采用西门子SIMOTION D 425控制器, 配置SINAM-ICS S120组件 (电源模块, 功率模块等) 、伺服电机和各部分相互连接的通信电缆及成套的控制柜和带有以太网通信功能的电脑。
1.2 软件部分
软件包括:有授权的SIMOTION SCOUT编程调试软件;有授权的SIMATIC_NET V7.0/V7.1和STEP7V5.4+SP1编程软件;上位组态软件为Win CC V6.2, 在OPC的平台下通信。
2 在SIMOTION SCOUT中编写运行程序
(1) 用MCC编写两个轴各自的速度控制程序, 分别如图1和图2所示。
“IF NOT z-xianwei”为限位开关的I/O变量。将两个轴的速度分别设为两个内部变量“gt-sd”与“xcsd”, 变量类型为“LREAL”, 如图3所示。
将这两个子程序分别放入Motion Task9和Motion Task11中以备调用。
(2) 用MCC编写背景控制程序mcc-background, 在此程序中调用Motion Task9和Motion Task11, 如图4所示。
其中“IF NOT sw-shou-zi-run”为自动缠绕启动的内部变量, Motion Task1、Motion Task3和后面的子程序均为手动运行的程序。将mcc-background放在Background Task中。
(3) 插入一个LAD程序“ladfbd-2”, “sw-shou-zirun”作为启动条件, 同时也是变量“t-11”的复位条件。启动后开始计时, 变量“cd-time”中的数据就是计时时间, 到达时间后将“t-11”置位;再用“t-11”作为“swshou-zi-run”的复位条件, 将其复位。时间控制程序如图5所示。
3 建立与OPC的通信
(1) 在SIMOTION SCOUT中建立变量表, “gt-sd”类型为“LREAL”、“xc-sd”类型为“LREAL”、“swshou-zi-run”类型为“BOOL”、“cd-time”类型为“TIME”、“t-11”类型为“BOOL”、“sha-k”类型为“LREAL”、“cd”类型为“LREAL”。
(2) 插入一个新的“watch table”, 命名为“OPC425”, 将上述变量导入其中, 如图6所示。
(3) 选择Options-Export OPC data…, 如图7所示。指定OPC输出文件的存储路径, 选择协议和接口 (本项目中选择TCP/IP和X120) 。
(4) OPC组态。
打开Al l Programs-SIMATIC-SIMATIC NET-Configuration Console, 在Applications-OPC SettingsSymbols中单击Edit list…, 加载OPC符号文件;浏览Browse…选择OPC符号表, 单击Advance Symbols…选择SIMOTION Module, 在此项目中选择TCP/IP。
在SIMATIC Manager中打开SIMOTION的项目, 选择Insert-Station-SIMATIC PC Station;在HW-Config中选择OPC Server和IE General, 将IE General配置为D425的IE1/OP同一网络中。在Net Pro中, 单击PC Station中的OPC Server, 选择Insert-New Connection, 在Connection Partner中选择 (Unspecified) , 在Connection Type中选择S7 connection。单击Apply, 在Connection identification的Local ID中输入SIMO-TION SCOUT中的设备名称, 该项目中为D425;在Connection Path的Partner Address中输入D425的IE1/OP的IP地址。在Net Pro中编译后, 下载PC Station。
(5) 变量连接。
打开All Programs-SIMATIC-SIMATIC NET-OPC Scout, 双击OPC.Simatic NET, 添加组;双击[New group], 在对话框中输入“OPC425”, 单击“OK”, 在SYM下可以看到D425, 选择相应的变量, 加入右边的列表中。
打开Win CC项目管理器的变量管理器添加OPC通道, 在OPC条目管理器中选择OPC.Simatic NET, 单击浏览服务器;在SYM下可以看到D425, 在右边的列表中选择相应的变量, 单击“添加条目”添加到Win CC变量管理器中。
4 上位组态
在Win CC的图形编辑器中新建画面“New Pdl0.Pdl”, 双击打开画面, 对画面进行组态, 并连接变量, 如图8所示。
其中“滚筒”对应的变量为“gt”, 即为滚筒的直径;“纱宽”对应的变量为“sha-k”, 即为滚筒旋转一周轴二移动的步距;“长度”对应的变量为“cd”, 即为轴二运行的总位移;“启动-停止”对应的变量为“sw-shou-zirun”。
在“确定”按钮上, 右键单击, 再依次选择:属性、事件、鼠标、按左键、C动作。在弹出的对话框中写脚本程序, 对滚筒和小车进行转速的匹配计算, 并对缠绕长度所对应的时间进行计算, 将计算完成的数据写到变量中。启动后, 系统将按照计算出来的数据进行运转, 到达“cd”中设定的长度后自动停止。具体的转速计算和脚本程序及变量如下:
(1) 电机转速计算。
V1为轴一电机的转速, °/s;V0为轴一滚筒的旋转速度, r/min;Vh为轴二电机的转速, °/s;H为排纱宽度, mm;T为排纱时间, min;轴一减速比为70∶1;轴二减速比为50∶1;丝杠导程Ph=10mm。
轴一滚筒的旋转速度为:
当系统运行的时间为T时, 滚筒转过的线位移量为V0·T, 小车运行的位移量为:
推导出:V1=420×V0
其中, V1为变量“gt-sd”, H为变量“sha-k”, Vh为变量“xc-sd”。
(2) 脚本程序:
5 结语
此方式已成功应用于某研究所的工程项目中, 实践证明其运行稳定, 处理速度快, 在位移量和时间上都十分准确。
摘要：针对在旋转轴和直线轴相关联的运动控制中, 在位置和速度均未知的情况下, 进行两轴的位移量相匹配的控制问题, 提出一种用SIMOTION D控制器实现以时间为基础的各轴位移量的控制方法。
关键词：SIMOTION D,速度匹配,位移量控制
某广场地下工程管线位移量测 篇2
城市地下管线工程被国内外称为生命线工程, 与人民生活和国民经济紧密相连, 关系重大, 不可掉以轻心。目前工程中主要采用间接测点和直接测点两种形式。直接测点是通过埋设一些装置直接读管线的沉降, 常有以下两种方案:
(1) 抱箍式
其形式如图5-4所示, 由扁铁做成的稍大于管线直径的圆环, 将测杆与管线连接成为整体, 测杆伸至地面, 地面处布置相应窖井, 保证道路、交通和人员正常通行。抱箍式测点具有监测精度高度的特点, 能测得管线的沉降和隆起, 不足之处是埋设必须凿开路面, 并开挖至管线的底面, 这对城市主干道路是很难办到的, 但对于次干道和十分重要的地下管线, 如高压煤气管道, 按此方案设置测点并进行严格监测, 是必要的和可行的。
(2) 套筒式
采用一硬塑料管或金属管打设或埋设于所测管线顶面和地表之间, 量测时, 将标尺搁置在测杆顶端, 进行沉降量测。只要测杆放置的位置固定, 测试结果能够反映出管线的沉降变化。套筒式埋设方案如图5-5所示。套筒式方案埋设测点的简单易行, 特别是对于埋深较浅的管线, 通过地面打设金属管至管线顶部, 再清除整理, 可避免道路开挖, 其缺点在于监测精度较低, 难于测试地下管线的水平位移。
间接测点又称监护测点, 常设在管线轴线相对应的地表或管线的窖井盖上, 由于测点与管线本身存在介质, 因而测试精度较直接法低, 但可避免破土开挖, 适宜于在人员与交通密集区域场合采用。
对于本工程来说, 考虑到地面交通流量大, 工程位于初始快速主干到下, 且在地下结构覆土层内, 横跨隧道的铸铁煤气管和混凝土污水管, 考虑到其不可操作性, 只有采用间接法。在管线通过隧道的正上方地表每3m设置一地表观测点, 管线安全将通过地表沉陷的观测进行分析、判断, 用精密水准仪配合铟钢尺对设置点位进行量测。
2 监测数据的处理与反馈
采用如下三种方法进行处理:
(1) 列表法:根据量测的预期目的和内容, 设计数据的规格和形式, 利于数据的填写和比较, 重要数据和计算结果表示突出, 该方法用于平时的数据积累和单报表的填写。
(2) 图形表示法:在选定的坐标系中, 根据量测数据画出几何图形来表示量测结果。该方法用于各阶段量测数据分析, 直观、形象地反映量测项目的变化趋势, 为分析报告的主要内容。
(3) 解析法:通过对量测数据的计算, 求出各变量之间关系的经验公式 (回归公式) , 推算出最终位移值。该方法用于阶段性的量测数据分析、预测, 为分析预测、预报的主要内容。
现场量测数据经过及时进行整理, 绘制位移或应力的时态变化图, 适时进行回归分析, 以预测该测点可能出现的最大位移或应力值, 掌握位移及应力变化规律, 评价施工、结构及可能影响的构筑物的安全度。
3 管线位移的监测结论
管线位移的监测值如表1所示。监测结果表明各均未超过预警值并与目标值接近。
参考文献
[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论.北京:科学出版社, 2004.
[2]施仲衡.浅埋暗挖法设计理论论述.现代隧道技术, 2005, 42 (2) :37-39.
[3]吴波, 高波, 索晓明等.城市地铁隧道施工对管线影响的研究.岩土力学, 2004:25 (4) :657-663.
位移量控制 篇3
1.估算水下土坝坡稳定安全沉陷位移量的实际意义
在对水下土坝坡进行除险加固质量安全鉴定和设计工作中, 需要确定滑坡、塌陷和冲刷破坏的程度, 从而选定除险加固材料, 较为合理的确定原设计坝坡线以下所需要的工程材料量。要完成这样的工作, 就需要通过水下测量获得检测数据。由于水下测量精度有多方面的影响因素, 对除险加固工程量影响较大。面对这样的测量检测结果, 就需要我们依据测量成果, 选用合理的方法将测量误差消除, 从而把实际的、较为合理的、真实的稳定安全沉陷位移量分离出来加以确认, 获得合理的除险加固工程量。并且能对原土堤坝坡进行可靠的质量鉴定, 确定相对紧密度。基于这样的需要, 通过具体的实际工作, 进行了经验总结, 确认一个合理解决这一问题的方法, 以供土坝坡除险加固工程做参考。
2.估算水下土坝坡稳定安全沉陷位移量的方法
估算水下土坝坡稳定安全沉陷位移量的方法是:依据水下测量检测成果, 绘制好一个复合检测综合分析断面图 (多个断面) 。这张复合检测综合分析断面图是将各个不同阶段的测量检测成果综合绘制在一起。在绘制好的复合检测综合分析断面图上寻找符合假定条件的沉陷位移相关点, 利用相似原理, 将这些沉陷位移相关点加以比较, 取其真, 弃其假。
3.估算水下土坝坡稳定安全沉陷位移量的假定条件和相似原理
土坝坡稳定安全沉陷位移量的假定条件:
3.1水下土坝坡内的材料, 其质点运动规律符合圆弧上的质点运动规律;水下土坝坡内的材料, 其质点运动无限趋近于与水下土堤坝坡相对应的水平线X轴的原点O, 即平面坐标系X轴Y轴的交点坐标 (O、O) , 如图1所示, 这个坐标系可以在任意一个质点上安放。
3.2确认水下土坝坡稳定安全沉陷位移量, 应该在没有滑坡和冲刷破坏的相关点上确认, 不能在本次新发现的滑坡、冲刷破坏的位移特征点上应用, 因为它没有相关点作参照比较, 但可以在下一次检测图上作为稳定安全沉陷位移相关点使用, 事实上, 就是在这张复合检测综合分析断面图上寻找具有特征条件的一组组特征相关点, 越多越好。
4.估算稳定安全沉陷位移量方法的具体应用
4.1搜集资料
在使用这个方法之前, 应尽可能的将以下的资料收集齐全, 资料越全, 精度越高。计算水下土坝坡稳定安全沉陷位移量所依据的测量资料如下:
(1) 工程建设单位提供的未建工程以前的原实测土坝坡线;
(2) 业主单位提供的若干年后土坝坡
稳定安全沉陷位移完成后的实测断面资料;
(3) 设计单位提供的在这以前设计的土坝坡线;
(4) 施工单位提供的竣工断面检测验收资料;
(5) 施工、监理、设计、业主和质量监督站联合验收时所做的复合测量检测资料。
将以上五个方面的测量检测资料收集齐全后, 加以整理, 绘制到复合检测综合分析断面图上。
4.2在绘制好的复合检测综合分析断面图上寻找相关特征点
在把前面所说的五个方面的质量检测资料绘制到复合检测综合分析断面图上以后, 利用前面提出的两个假定寻找出符合水下土坝坡沉陷位移相关规律的若干组相关点, 每一组相关点一般是2个或2个以上, 当然每一组相关点越多精度越高, 寻找出的相关点组数越多规律性越强, 获得的稳定安全沉陷位移量的精度越高。从这个意义上说, 水下土堤坝坡工程竣工后, 在水下土坝坡上有目的的设置稳定安全沉陷位移观测点, 有利于以后工程的考查、分析研究。
4.3确认寻找出的相关点是否可靠
当选好相关点若干组后, 运用前面提出的假定, 在所获得的相关点断面图上, 以设计给出的坝脚终点为圆心, 做过这一终点的垂直于坝轴线的水平线, 确定X轴;做以坝脚线终点为圆心, 做到这两个相关点的圆半径, 然后量测出这两个圆半径, 看是否近似相等, 如果近似相等或相等, 说明这两个相关点是相似的点, 且真实可靠, 否则是不相似, 不可靠, 应该淘汰。经过这样的筛选后, 将各个断面上真实可靠的相关点, 即相似点列于表格中。
4.4将这一复合检测综合分析断面图上的各个断面上的真实可靠的相关点即相似点的有关参数值半径R、水平位移X和垂直位移Y值列于表中, 将列于表中的水平位移X值和垂直位移Y值进行加权平均, 获得平均沉降量、最大沉降量和最小沉降量。
5.结语
通过该方法对可能发生了滑坡水库坝坡进行分析, 其沉陷位移趋势见表1。
单位:m
运用这一方法所得到的结论是:坝坡无滑坡问题, 只存在局部缺料情况。在经过设计者的稳定核算后, 进行了局部补料。土坝至今运行情况良好, 证明这种计算方法对于工程是具有实际意义的。
摘要：本文针对水库坝下土坡发生滑坡、塌陷、冲刷破坏和年久失修工程的内在质量安全评价、除险加固工程设计等, 为了更好地选定工程材料、材料量, 减少前期工程投资和设计工作量, 估算水下土堤坝坡稳定安全沉陷位移量的方法。
声屏障位移控制的分析 篇4
1.1 工程背景
本工程背景为北京枢纽既有西长线提速,根据环保专业要求,在北京市区内某段既有桥旁需增设声屏障。由于既有桥设计年代较早,直接在桥上设声屏障存在桥梁加固等诸多问题。故业主提出在桥两侧地面架设支架(包括钢支柱与钢拉梁),并在支架上设声屏障型钢柱的方案(见图1a))。其中支柱为与桥墩错开布置,设为8 m间距。H型钢柱为声屏障主要受力结构,每2 m设一根(见图1b))。整个支架结构主要受到作用在声屏障上风荷载的影响。
1.2 问题的提出
根据上述环保专业提出的要求,声屏障型钢柱柱顶的位移要控制在20 mm。整个结构从下至上由支柱、拉梁和型钢柱组成,故顶部型钢柱柱顶的最大位移(下文简称最大位移)也由三者位移叠加产生。通过分析可以得出型钢柱柱顶的位移为:
D=d1+θ1×H+θ2×H+θ3×H+d2 (1)
其中,d1为支柱柱顶的位移;θ1为支柱柱顶的转角;H为型钢柱柱高;θ2为拉梁受扭产生的整体转角;θ3为拉梁上翼缘受弯产生的变形转角;d2为型钢柱受弯产生的变形位移。
可见,最大位移与三者的刚度均有关系,其中型钢柱的截面已由环保专业给定,所以只能通过研究支柱与拉梁的截面来控制位移。
2 分析问题
2.1 基于MIDAS模型的分析
本文首先用MIDAS建了5榀支架的整体模型(见图2),并设计了两组截面尺寸,通过多次试算来考察梁柱尺寸与壁厚对柱顶最大位移的影响。尺寸表及计算结果如表1,表2所示。
通过表1和表2可知,随着梁柱截面尺寸及壁厚的增加,最大位移的减小值越来越小,即对位移的影响越来越小。
通过多次试算,得到当柱截面为500×550×14,梁截面为500×500×12时,型钢柱柱顶的最大位移为18.4 mm,发生在跨中的型钢柱柱顶。
由于MIDAS计算没有考虑构件局部变形的影响,即没有考虑拉梁上翼缘变形对型钢柱位移产生的影响,所以这样求得的型钢柱柱顶位移为:
D1=d1+θ1×H+θ2×H+d2 (2)
其中没有包含θ3×H的值。为了进一步研究θ3×H的大小,以及尝试寻找其他减小最大位移的途径,下文建立了更为详细的ANSYS模型。
2.2 基于ANSYS模型的分析
通过上节分析可知,本节主要研究拉梁局部变形对于型钢柱位移的影响,所以并未考虑下部支柱模型,只建了两支柱间的一段模型(见图3)。
这样求得的柱顶位移为:
D2=θ2×H+θ3×H+d2 (3)
相关参数为:梁截面500×500×12,型钢柱200×200×7.5×11,采用壳单元Shell181,单元尺寸50 mm,钢材为Q235,弹性模量E=2.06×105 MPa,泊松比v=0.3,非线性阶段的材料属性为双线性随动强化,屈服强度fy=235 MPa,屈服后切线模量取Et=1%E。约束加在拉梁两端底部与支柱连接的位置。
2.2.1 初始模型
本模型直接按照MIDAS的相关条件建模计算,计算分析后的最大位移为67 mm(见图4),发生在跨中的型钢柱柱顶与MIDAS模型的18 mm相差甚远,且这还未考虑下部支柱位移的影响。
究其原因,通过图5可以知道,拉梁上翼缘在与型钢柱连接处一定区域内,最大应力达到230 MPa,接近屈服强度。由于这一高应力区的存在,必定造成较大变形。
通过查看转角图,可得最大位移处型钢柱与梁翼缘连接处的节点转角约为0.018 rad,再乘上柱高3 580 mm,得64.4 mm(即式(1)中的θ3×H),接近柱顶最大位移值67 mm。可见,梁上翼缘的变形不仅会对型钢柱柱顶位移产生影响,而且在无任何加强措施下,这种影响非常大,起决定因素。MIDAS模型不能考虑构件局部变形的影响,导致了计算结果的失真。
2.2.2 加肋板模型
为了约束拉梁上翼缘的变形,本文尝试在拉梁与型钢柱连接处加了12厚的肋板。建模计算分析后,此时的柱顶最大位移降为11 mm。拉梁上翼缘处的最大应力也降低到67 MPa,肋板所受的最大应力为59 MPa,型钢柱所传来的弯矩基本由肋板承担,受力性能大大改善,如图6～图8所示。
将ANSYS结果与MIDAS结果对比。通过式(2)与图3可知,支柱顶的位移3.5 mm,支柱顶转角Rx=0.001 2,则型钢柱柱顶的位移减去支柱位移的影响后为:
θ2×H+d2=D1-d1-θ1×H=
18.4-3.5-0.001 2×3 580=10.6 mm。
ANSYS结果为:
θ2×H+θ3×H+d2=11.2 mm。
通过以上计算结果的分析对比可知:
1)当不考虑翼缘局部变形时,ANSYS模型与MIDAS模型的计算结果基本相同,相互印证了两个模型计算结果的可信度;2)加了肋板后的ANSYS模型与不考虑翼缘局部变行的MIDAS模型相比,两者的最大位移仅相差0.6 mm,可以认为当拉梁加了肋板后,翼缘的局部变形可忽略不计。
2.2.3 其他模型
上一小节只是研究了消除拉梁翼缘局部变形的方法,并不能进一步减小变形。本文先后计算了肋板加密、肋板加厚、拉梁翼缘与型钢柱连接处局部加厚等几种情况,最大位移均变化很小。说明以上几种措施对增加拉梁的整体刚度均没什么效果。
3 结语
本文通过MIDAS模型广度上的计算与ANSYS模型深度上的研究,再结合两者计算结果对比,得出了下列若干总结:1)通过加大梁柱截面尺寸的方法来减小柱顶最大位移,效果越来越不明显;2)当拉梁与H型钢连接处没有任何加强措施时,拉梁翼缘将产生很大局部变形;3)在拉梁与H型钢连接处加肋板,可以基本消除拉梁翼缘的局部变形;4)通过其他如肋板加密、肋板加厚、拉梁翼缘与型钢柱连接处局部加厚等构造措施,对位移均无显著改善。
参考文献
[1]平学惠,刘俊青.既有铁路声屏障设计问题与研究[J].铁道标准设计,2011,11(4):88-89.
高层建筑结构水平位移控制概述 篇5
建筑结构都要抵抗由恒荷载和活荷载产生的竖向荷载和由风荷载、地震作用产生的水平荷载, 对于高层建筑, 风荷载、地震作用产生的水平荷载起主要控制作用, 因而, 由水平荷载引起的位移 (水平侧移) 是高层建筑结构设计中一个很重要的指标。水平荷载作用下结构的楼层侧移, 主要由3部分组成: (1) 楼层的整体剪切位移 (也称平动位移) , 由楼层剪力引起; (2) 结构因整体弯曲变形产生的侧移 (也称转动位移) , 由水平荷载产生的倾覆力矩引起; (3) 基础转动位移, 由地基变形引起的结构整体刚体转动所产生的位移, 对结构在竖向荷载作用下的重力二阶效应影响最大, 与结构在水平荷载作用下受力和变形无关。
各国规范控制高层建筑水平位移的指标不尽相同, 但大部分国家规范是以层间位移作为控制指标的[1]。层间位移限值是高层建筑结构设计的一个重要指标。在正常使用条件下, 限制高层建筑结构层间位移的主要目的有:一是保证主结构基本处入弹性受力状态。对钢筋混凝土结构来讲, 要避免混凝土墙或柱出现裂缝;同时, 将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内;二是保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好, 避免产生明显损伤[2]。
2 控制位移的参数
控制层间变形的参数一般有3种:即层间位移与层高之比 (层间位移角) ;有害层间位移角;区格广义剪切变形。
2.1 层间位移与层高之比 (层间位移角)
1) 定义:指楼层层间最大位移与层高之比。
2) 表达式:
式中, Δui为第i层层间位移 (见图1) ;θi为第i层层间位移与层高之比 (第i层层间位移角) ;ui, ui-1为第i层、i-1层位移;hi为第i层层高。
2.2 有害层间位移角
1) 定义:建筑某楼层因弯曲和剪切产生的层间位移与层高之比, 即建筑某层构件因弯曲和剪切变形引起的层间位移角。
2) 表达式:
式中, θi d为第i层有害层间位移角;Δuid为第i层构件弯曲和剪切变形产生的层间位移 (见图1) 。
2.3 区格的广义剪切变形 (简称剪切变形)
1) 定义:剪切变形是将层间位移角中剪力墙、框架和连梁区格各自不同的刚体位移 (转动) 部分去除, 剩下部分的变形。
2) 表达式:
式中, γi j为区格ij剪切变形, 其中脚标i表示区格所在层次, j表示区格序号;Δυi为区格两端的竖向位移差 (见图2) ;θi-1, j为区格ij下楼盖的转角, 以顺时针方向为正;lj为区格ij的宽度;υi-1, j, υi-1, j-1为相应节点的竖向位移。
层间位移角反映剪切型结构的受力特征较为合理, 但与弯曲型或弯剪型结构的受力特征的相关性较差[3]。有害层间位移角主要用来反映剪力墙等弯曲型结构的受力特征, 对整个楼盖的变形采用了平截面假定。从结构受力与变形的相关性来看, 参数γi j即剪切变形较符合实际情况;但就结构的宏观控制而言, 参数θi即层间位移角又较简便。考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标, 为便于设计人员在工程设计中应用, 我国规范采用了层间最大位移与层高之比Δu/h, 即层间位移角θ作为控制指标。
3 层间位移控制的有效途径及方法
3.1 选用合理的抗侧力体系
选择合理的结构抗侧力体系, 能有效地控制高层建筑地位移。在水平荷载的作用下, 以整体剪切变形为主的结构, 如框架结构, 其上部层间位移较小, 下部层间位移较大[4]。而以整体弯曲变形为主的结构, 如剪力墙结构, 其上部层间位移较大, 下部层间位移较小。结构采用弯曲型和剪切型两种不同变形性质的构件形成一个完整的结构体系, 即弯-剪双重体系, 两种不同变形性质的构件通过楼板进行协同工作, 能明显减小高层结构的顶点位移及层间位移。弯-剪双重抗侧力体系在工程中应用非常广泛, 常见的有框架-混凝土剪力墙体系, 框架-支撑体系, 框架-混凝土筒体等[5]。
3.2 优化结构布置, 控制结构适宜的刚度
在平面布置上, 高层建筑平面宜简单、规则, 减少偏心。在竖向布置上, 高层建筑的竖向体型宜规则、均匀, 避免有过大的外挑和收进[6]。刚度愈大, 高层建筑中剪力墙或框架柱的数量越多, 尽管结构变形较小, 但地震时吸引了更大的地震力, 使用空间上也有所限制, 且明显增加结构自重, 造成材料浪费, 造价提高。刚度太小, 结构在地震或风荷载作用下变形过大, 可能产生严重后果甚至倒塌。适宜的刚度既能保证结构在地震和风荷载作用下不致产生过大的变形, 又能做到结构设计经济实用。
3.3 设置结构加强层
根据近年来高层建筑的设计经验及理论分析研究, 当框架-核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时, 可以设置加强层以加强核心筒与周边框架的联系, 提高结构整体刚度, 控制结构位移。可利用高层建筑的避难层、设备层空间, 设置适宜刚度的水平伸臂构件, 形成带加强层的高层建筑结构。必要时, 加强层也可同时设置周边水平环带构件。水平伸臂构件、周边环带构件可采用斜腹杆桁架、实体梁、箱形梁、空腹桁架等形式。
4 结语
1) 对于高层建筑, 风荷载、地震作用产生的水平荷载起主要控制作用, 由水平荷载引起的位移 (水平侧移) 是高层建筑结构设计中一个很重要的指标。
2) 各国规范控制高层建筑水平位移的指标不尽相同, 但大部分国家规范是以层间位移作为控制指标的。从结构受力与变形的相关性来看, 剪切变形作为控制高层建筑水平位移的指标较符合实际情况, 但如何应用到实际工程中还需要进一步研究。
3) 本文介绍了控制高层建筑结构层间位移的几种有效方法, 在进行设计时, 做好分析工作, 选用合理的结构型式和平面、立面布置, 对控制高层建筑的水平侧移会起到事半功倍的效果。
摘要：根据高层建筑结构的受力特点, 阐述了高层建筑结构水平位移的组成和控制水平位移的意义, 分析了控制水平位移的指标参数, 以及我国规范对高层建筑结构水平位移的控制指标, 介绍了控制高层建筑结构水平位移的几种有效方法。
关键词：高层建筑,水平位移,位移控制,层间位移
参考文献
【1】魏琏.高层建筑结构位移控制研讨[J].建筑结构, 2000, 30 (6) :27-30.
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