ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
CCTV主楼为倾斜双塔连体结构,位于8度抗震设防区,设计使用年限为100年,属特别复杂超限超高层连体建筑。主体结构采用刚度较大的支撑外筒结构体系。新颖的结构体型给结构设计及施工带来了很多新课题和难点。通过采用性能化的抗震设计方法以及理论分析与试验研究相结合,对结构关键技术如施工模拟、高含钢率SRC柱、罕遇地震下的弹塑性时程分析、新型节点构造的应用以及防连续倒塌等加以综合研究与分析,很好地解决了工程中遇到的技术难题。施工过程中的应力和变形监测结果也初步验证了结构设计方法的正确性和可靠性。CCTV主楼结构经历了艰辛的设计历程,其设计成果是对现有设计理念、设计方法的丰富和推进,同时也在设计理论、抗震性能化目标、现行规范运用、复杂形体建筑设计等方面引发了新的课题和思考。
中央电视台新台址主楼建筑造型和结构体系独特,结构动力特性和地震响应异常复杂。本文首先研究了结构的自振特性,研究结果表明,其1、2阶振型表现为沿两塔楼对角线方向的平动变形,并伴随塔身扭转变形以及大悬臂竖向振动,其3、5、7阶振型以扭转为主。在自振特性分析的基础上,应用有限元数值方法对结构的小震、中震弹性响应进行了分析。通过对构件承载性能的分析建立了弹塑性计算模型,并应用此模型进行了结构大震弹塑性时程响应和静力弹塑性推覆分析,依据抗震性能指标校核了结构及构件的承载力。基于FNA进行的大震弹塑性时程分析表明,最大层间位移角满足1/50的限值条件。推覆分析分别采用以加速度相关和质量相关的横向力分布模式,正、反向加载进行计算,按照目标位移法和能力谱法确定结构的地震响应以及推覆过程中塑性铰的分布状态。基于三套地震作用参数(《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),100年使用年限换算设防烈度及地震安评报告)的计算结果,综合评估了结构的
通过对3根含钢率为24.3%的SRC柱的轴压试验,对高含钢率SRC柱构件的轴压承载性能进行了研究。分析了试件的荷载-位移关系曲线特征,揭示了高含钢率SRC柱以钢骨为主要受力部分,依次发生混凝土开裂和压溃、钢筋屈曲、钢骨弯曲失稳等破坏形态。利用有限元软件ABAQUS对试验过程进行了模拟。研究表明,高含钢率SRC柱具有钢构件的承载特性,钢骨塑性阶段的整体失稳导致极限后的承载力下降;工程设计可以采用塑性准则和叠加原理计算其极限承载力。
中央电视台新台址工程采用的高强度SRC组合柱具有高达30%的含钢率。为了研究其滞回性能,分两个阶段进行了SRC柱的拟静力试验。本文介绍了其中9个试件的试验过程以及试验现象,分析了试件的滞回曲线、延性比以及极限承载力,给出了截面NP-MP理论曲线并与试验结果进行对比。研究结果表明此种高含钢率SRC柱具有良好的抗震性能和变形能力,与普通含钢率的SRC柱有较大差别;采用极限分析方法求得的NP-MP曲线作为计算高含钢率SRC柱截面强度是偏于安全的。
中央电视台(CCTV)新台址主楼钢结构外筒采用了高含钢率且带有多空腔的SRC柱,是主楼外筒抗侧力体系中的主要构件。高含钢率高强度的SRC柱具有断面小、承载力高以及延性好等特点,已经在复杂大型高层建筑结构中开始应用。本文对CCTV主楼外筒中截面最大的SRC柱进行了4根模型试件的承载力性能与延性试验,研究了高含钢率且含有多空腔的SRC柱在不同轴力和弯矩组合作用下的受力性能,揭示了它们的破坏机理和变形过程。试验结果显示,高含钢率SRC柱的承载力与延性性能远优于普通SRC柱。同时,本文还利用有限元分析程序对试验模型进行了数值计算并与试验结果进行了对比。最后通过分析,提出了"对于SRC柱的设计方法及轴压比的限值必须与SRC柱的含钢率相联系,使设计真正做到安全可靠、经济合理"的设计建议。
本文主要研究对象为中央电视台(CCTV)新台址工程主楼外筒中采用的高含钢率SRC柱。采用有限元方法中的六面体单元法和简化截面纤维单元法,分析了高含钢率SRC柱的计算模型和主要参数(含钢率、长细比、轴压比)对其承载力性能的影响,并对两种分析方法的计算结果进行了对比。计算结果表明,高含钢率SRC柱在常用长细比范围内,其承载力性能与短柱相似;同时在较高轴压比作用下,高含钢率SRC柱仍具有较好的延性;六面体有限单元法、简化截面纤维单元法均可用于高含钢率SRC柱的计算分析,基于平截面假定之上的简化截面纤维单元分析方法可以比较精确地分析高含钢率SRC柱的静力承载力;最后,通过比较不同计算方法所获得的计算结果,本文建议将《钢骨混凝土结构设计规程》(YB9082—97)所推荐的含钢率不大于15%作为高含钢率和普通含钢率SRC柱含钢率的分界点。这些结论对高含钢率SRC柱受力性能的进一步研究和实际工程推广应用提供了理论基础。
本文针对中央电视台(CCTV)新台址主楼外筒中采用的SRC柱,提出了基于SAP2000程序、用于抗震承载力分析的模型。结合已有研究成果,分析了CCTV主楼中高含钢率的SRC柱的承载特性。应用有限单元法和截面纤维单元分析方法,确定了SRC柱的初始屈服面和屈服后的基本承载性能,建立了基于塑性铰单元的弹塑性计算模型。在此基础上,根据已有试验结果,应用P ivot滞回模型模拟了SRC柱的滞回性能,建立了基于连接单元的计算模型。通过单调加载和往复加载的算例分析,校核了两种模型的准确性;结合塑性铰、连接单元计算模型的原理,分析了两种模型的适用性。本文提出的计算模型,能够在结构计算中高效、准确地模拟SRC柱的抗震承载特性。
中央电视台(CCTV)新台址主楼外筒由SRC组合斜柱、箱形截面钢支撑及工形截面钢梁组成,其外筒节点呈"米"形。本文对外筒中两种有代表性的"米"形节点进行了模型试验研究,考察了两个关键节点和两个典型节点在反复荷载作用下的延性性能和滞回性能,检验强节点弱构件的设计思想是否满足。试验采用对与节点相连的柱子施加恒定轴力,对两对交叉斜撑施加反复交叉拉压轴力,逐步循环加载直至节点破坏。试验现象及结果表明,所有试件在节点板区域破坏前,其所连接的杆件(斜撑)已失去承载力,节点板在杆件达到极限承载能力时部分进入塑性,但仍具有较高的安全储备。作者建议节点板与斜撑、柱连接处形成光滑过渡并在深化设计中改进,避免应力集中现象造成节点延性降低。
在中央电视台(CCTV)新台址主楼外筒"米"形节点试验研究的基础上,建立了两种试验节点的有限元模型,分析了它们在反复荷载作用下的受力性能与破坏机理,并与试验结果进行了对比分析;数值分析中考察了支撑荷载偏心对节点承载力及滞回性能的影响;提出了考虑层间位移影响的框架-节点计算模型,研究了节点承载力及滞回性能。通过比较框架-节点模型的有限元计算结果与试验模型的试验结果,观察及评估了楼层层间位移对节点承载力及滞回性能的影响,其结论可用于对已有试验进行补充;研究了包含多个节点的双层框架有限元模型,考察了各节点在结构中共同受力时的承载性能及破坏模式,该分析将有助于综合评价结构外筒体系的抗侧承载性能。全面的有限元分析结果作为对节点试验的扩充,同样可以作为CCTV新台址主楼钢结构工程施工图审查及项目实施的依据。
CCTV新台址主楼采用支撑筒体结构体系,外筒蝶形节点以及柱脚节点是其中的关键性节点。本文通过对蝶型节点的有限元分析,提出此类节点简化的设计方法,保证了在支撑构件屈服时,蝶型节点能基本保持弹性,满足"强节点、弱杆件"的结构抗震要求。通过与节点模型试验结果的比较,验证了这一设计方法的正确性。由于塔楼双向倾斜,且在结构高位有连体结构,造成部分外筒SRC柱柱脚在竖向荷载作用下出现拉力,与水平荷载作用下拉力叠加后进一步增大。由于水平荷载作用方向的不确定性,柱脚也可能承受较大的压力。根据柱脚受拉程度的不同,结构设计中分别采用了露出外包式、埋入式两种不同的柱脚构造形式,并在外包式柱脚中采用了高强预应力锚栓来平衡柱脚的拉力。
为考察全熔透和部分熔透两种组装焊缝形式对箱形截面钢支撑受力性能的影响,本文对中央电视台新台址建设工程中的箱形截面支撑进行了单调受压、轴向反复拉压试验;同时,采用ABAQUS有限元软件实现了对部分熔透试件未熔透处的接触模拟和滞回性能模拟。试验与有限元分析结果表明,中央电视台新台址工程中宽厚比为10的板件可采用部分熔透的组装焊缝形式。考虑板件宽厚比、偏心加载以及残余应力的参数分析结果表明,板件宽厚比小于20的轴心受压支撑以及板件宽厚比不大于10的偏心受力支撑中,箱形截面翼缘与腹板的连接可采用部分熔透的连续焊缝。
中央电视台(CCTV)新台址主楼由两倾斜塔楼、L形大悬臂以及裙房组成,其特殊的造型设计使得施工过程结构的变形发展异常复杂。由于施工采用两倾斜塔楼独立安装、大悬臂从塔楼逐步悬伸对接的施工方案,导致在施工过程中,上部结构除了在自身荷载作用下产生变形外,还会随着地基不均匀沉降而发生变形。因此必须对结构构件的安装位形设置预调值,以保证施工完成后的结构位形达到设计位形,否则成型位形将不满足设计要求,甚至会导致大悬臂结构无法顺利安装。本文建立了基础与上部结构的一体化有限元模型,考虑了桩、土、筏板与上部主体结构的相互作用,分析评估了地基沉降对结构变形的影响。计算结果表明,考虑地基不均匀沉降,其变形预调值在悬臂端,竖向增大了11.9mm(竖直向上为正),水平向分别增大了-16.6mm(正南方向为正)和10.6mm(正东方向为正)。施工实践证明,按照考虑基础不均匀沉降影响获得的结构变形预调值安装,可以保障大悬臂准确合拢。
根据施工模拟方法的原理,提出CCTV新台址主楼的施工模拟分析方法,在设计过程预先考虑施工进度上限、下限进行结构包络设计。计算分析表明,施工模拟分析方法模拟CCTV新台址主楼结构可以较为准确地反映恒载作用下结构的变形和内力分布,是很有必要的。在建造期间根据承包商实际采用的施工过程进行了施工模拟分析的调整和对比分析,结果表明结构锁定内力仍满足结构承载力要求;同时介绍了悬臂段合拢方案的细化施工模拟及关键工况分析。
本文对8根大比例的FRP加固钢筋混凝土桥柱模型在轴压比为0.2的恒定轴压力下进行拟静力试验,再对其中5根试验柱在经历有限的地震作用后进行长期荷载作用下的轴压试验。试验表明,FRP加固柱的徐变变形远小于对比柱的徐变变形;带损伤的加固柱在长期荷载作用下的变形发展受加固柱的损伤程度和持荷大小的控制,并与FRP的弹性模量有关;在试验条件下,带损伤的加固柱长期轴向变形呈稳定态势。采用AEMM和F ind ley模型为基础,考虑损伤程度、密封状态、三向应力状态和应力重分布等因素的影响,建立了损伤加固柱的徐变计算模型,并进行了验证。分析表明,损伤对加固柱的徐变发展和徐变破坏时限有显著影响。
通过柱端加载的3个内隔板三面焊接的方钢管混凝土柱-H形钢梁节点的低周反复荷载试验,研究其不同轴压比情况下节点的破坏模式、延性、耗能性能等。试验结果表明,内隔板与柱壁未焊一侧受力约为内隔板与柱壁焊接一侧的1/3,内隔板未焊一端梁翼缘侧面柱壁间焊缝被撕裂,内隔板与柱壁板焊接一侧梁翼缘在柱顶位移约70mm时发生局部屈曲。研究结果表明,节点具有很好的延性和耗能能力,层间转角位移延性系数μ=3.40~3.45,弹性和弹塑性层间位移角分别为φy=0.0075~0.0083 rad、φu=0.0279~0.0286 rad,等效粘滞阻尼系数he=0.247~0.462。满足现行抗震规范的要求。三面焊接的内隔板式节点可以用于方钢管混凝土边柱节点。
为了研究型钢高强高性能混凝土框架节点的抗震性能,进行了5榀缩尺比例为1/4的框架中节点的低周反复加载试验,对不同混凝土强度等级、不同轴压比下梁柱节点的受力特点、应变分布、裂缝开展模式、破坏形态、变形特征、延性性能进行了研究。结果表明,型钢高强高性能混凝土框架节点的破坏过程与普通型钢混凝土框架节点相似,相同条件下节点的延性性能和耗能能力较普通型钢混凝土节点的略差,但型钢对高强高性能混凝土的有力约束改善了其本身延性差带来的不利于抗震的脆性特征,设计合理的型钢高强高性能混凝土框架节点具有良好的位移延性和滞回特性。
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