ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
天津津塔是一栋高336.9m的钢结构超高层建筑,主要抗侧力体系采用"钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系"组成。薄钢板剪力墙结构作为一种新的结构体系,充分利用薄钢板的拉力场效应,具有较大的弹性初始刚度、大变形能力和良好的塑性性能、稳定的滞回特性等优点。国内还没有类似工程的先例。基于大量的理论研究和试验研究相结合的研究成果,津塔结构设计解决了不同施工工况下钢板剪力墙设计,根据大震下柱脚拉压力设计双底板柱脚、钢管混凝土柱设计规范选择比较和弹塑性分析等技术难点。
位于北京的中国国际贸易中心三期主塔楼高330m,包括一座五星级酒店和甲级写字楼。结构设计的主要难点是在北京这一高烈度地区建设超高层大楼,如何能综合考虑结构的安全性与经济性的要求,在结构设计过程中,各种结构类型及不同材料的使用都经过讨论研究。最终的结构体系是一个组合支撑框架核心筒和组合周边刚性框架筒,在机电层再辅以伸臂桁架连接内外筒。由于塔楼外立面宽度逐渐收小,结构上采用了3层腰桁架,而在腰桁架之间柱子的数量逐渐减少。塔楼的底部是8层高带转换桁架的V型柱,既符合建筑上对五星级酒店和甲级写字楼首层宏大的主入口的要求,同时又可平缓地过渡到上部的抗弯刚架。结构体系中根据不同的部位相对采用了各种类型的组合构件来满足刚度,延性以及冗余度的要求,并达到最好的性能价格比。工程大规模应用了组合钢板墙(C-SPW)这一新型结构体系,以增加剪力墙的抗剪承载力和刚度,并改善延性。结构设计中运用了有限元分析及非线性弹塑性时程分析来评估结构的
上海陆家嘴金融贸易区X2地块南、北塔楼高度分别为250m和260m,采用巨型框架-核心筒结构体系,属于超限超高层建筑。根据结构体系和特点,针对核心筒的重要性、转角桁架的设置、楼面梁板的布置等阐述了设计思路。通过对比分析设置与不设置伸臂桁架时地震作用引起的弯矩及剪力在核心筒和外框架之间的分配关系,指出只要将伸臂桁架的刚度控制在合理的范围,既可有效改善核心筒的受力,又不至于导致过度的刚度突变。静力弹塑性分析给出了塑性铰的发展过程,表明结构各道抗震防线性能良好,能保持有效的协同工作。振动台试验表明结构总体上满足现行规范7度抗震设防的要求,根据8度罕遇地震下结构出现的局部破坏情况给出了设计建议。研究结果表明,南、北塔楼结构体系合理,具有良好的抗震性能。
停建多年的工程项目重新续建时,由于续建方案改变,许多新的使用功能要求导致结构体系发生改变,这种变化不但引起结构适用设计标准规范的符合性差异,而且新建与已建部分的联结可靠安全要求以及新旧高层建筑结构相互影响也需要妥善处理。对续建工程可行性进行的评估中,复核了原设计图纸,并根据已建成部分结构检测结果和续建要求的建筑方案进行综合分析,采用原设计的抗震设计标准与现行有效的标准分别进行考核,即二段式设计,原结构必须满足现行规范承载力要求;对续建结构方案进行整体优化,采用钢管混凝土结构,减轻重量,加强整体构造,旧结构构件由于规范差异引起的构造缺欠,采取适当加固措施,使之达到性能化设计要求。上部续建结构优化目标主要集中于加强层数量位置和转换桁架结构形式。通过优化后,确定在15、26、37层设置伸臂桁架加强层,层间位移满足现行规范要求;采用重量较轻并与原有结构拼接安全的钢管混凝土转换桁架系统。
大连中国石油大厦结构内筒为钢筋混凝土筒体,结构外框地下4层至2层为框架,3层至45层为交叉桁架筒体,属超高层复杂结构。对钢结构外筒-钢筋混凝土内筒、钢筋混凝土外筒-钢筋混凝土内筒、钢管混凝土外筒-钢筋混凝土内筒、钢结构外筒-钢结构内筒(钢框架+内藏钢板支撑混凝土剪力墙筒体)、混合外筒(10层以下为钢管混凝土,其他为钢结构)-钢筋混凝土内筒5种结构体系形式进行了分析。分析结果表明,由于外筒具有很强的抗侧刚度,因此在设计中为强度控制而非变形控制。5种结构体系形式中,混合外筒-钢筋混凝土内筒结构体系形式的受力性能和经济性能最优越。针对混合外筒-钢筋混凝土内筒结构体系形式进行了结构质量分布偏心影响分析、结构抗倒塌能力分析、结构延性分析等方面的研究。研究结果表明,交叉桁架外筒-钢筋混凝土内筒结构体系具有很好的抗侧和抗扭刚度,抗倒塌性能优越;但水平地震作用下外筒桁架斜柱以受轴力为主,结构整体延性稍差,若外筒边缘杆件采用抑制屈曲支撑代替
东北电网电力调度交易中心为坐落于大底盘地下室上的20层主楼和4层辅楼,主楼、辅楼之间由阳光大厅和连廊连接,抗震设防类别分别为乙类和甲类。地基主要受力层范围内既有杂填土又局部存在软弱下卧夹层,采用调整基础底面积和不同的地基处理方法来满足上部结构对地基承载力和变形的要求。地下室长198.8m,宽143.0m,采用补偿收缩混凝土结构自防水和无缝设计技术,实现地下室无缝施工。为避免主楼、辅楼与大厅屋盖之间的相互影响,阳光大厅屋盖和连廊支座采用隔震橡胶支座,分别进行7度小震、中震和大震作用下的整体计算分析和大震作用下的弹塑性变形验算,并对关键结构构件采用型钢混凝土构件或钢桁架,实现抗震设计的性能目标。
海控国际广场原设计为168m高的办公楼,1995年施工到15层后停建。2006年决定对其续建,结构主体高度增加至190m。原结构竖向构件混凝土强度设计值为C58,经现场检测仅为C45左右,且钢筋锈蚀严重。根据结构的现状和特点,确定续建结构沿用原筒中筒结构体系,而将上部混凝土框筒梁改为钢梁以减轻结构自重。采用SATWE软件和ETABS软件对结构进行了分析,主要计算结果均满足规范要求。进行了弹性时程补充计算,研究了高阶振型对结构的影响。进行了静力弹塑性分析,研究了结构的抗震性能。钢筋混凝土构件主要采用了加大截面法和聚合物砂浆-钢丝绳网片方法加固。为提供底部入口大空间,原设计中采用空腹桁架转换的方式,续建中将其改为斜撑转换形式,使转换构件在大震作用下保持弹性。
为了得到建筑功能、结构性能和经济性能最佳的设计方案,对多个方案进行比选是设计过程中重要步骤。在进行超高层建筑———上海陆家嘴时代金融中心结构设计方案的比选过程中,有5个不同材料的外框架体系可供选择,设计师通过对其进行安全性、工期、造价、使用空间方面比选,最终选择了钢-混凝土组合框架核心筒结构体系:其中核心筒体采用型钢混凝土筒体,外围框架下部为型钢混凝土框架,中间为混凝土框架,上部为钢框架的结构设计方案。并计算了不同钢结构层数对基础设计的影响。在进行4个桩基方案比选过程中,通过桩型、持力层和进入持力层深度的比较,桩型选用了灌注桩,并结合场地的地质条件,使用桩端后注浆技术,减短了桩长。
招商城市主场工程位于深圳市福田区,地面以上主楼33层,地面以下2层,建筑总高度为99.7m。结构平面和竖向均不规则,属超限结构。采用ETABS和SATWE对结构进行了整体分析,两者的计算结果吻合较好,且满足规范的相关要求,并采用有限元软件ABAQUS对受力关键的型钢混凝土柱进行了有限元分析,分析结果表明,型钢混凝土柱中型钢和混凝土的应力均在规范限值以内。介绍了对结构荷载取值和地震作用取值、自振特性、风荷载和地震作用下的计算结果等内容,并介绍了针对工程的具体特点采取的抗震措施。计算和分析结果表明,结构设计解决了超限问题,结构设计安全可靠,可为相关工程提供参考。
神舟小区建筑总平面为三角形,建筑面积为105981m2,三幢塔楼,其中两幢28层,一幢18层,大底盘无缝设计,框支-剪力墙结构。三幢塔楼由地上4层商业裙房及3层地下室相连,裙房为框架结构,4层顶转换为剪力墙结构,梁式转换。工程未设永久性变形缝。基础采用大直径机械钻孔人工扩底灌注桩基础,并采用后桩底注浆技术,桩端遇水处进行适当的人工降水处理,基坑采用侧壁板桩支护。上部结构设计时采取措施尽量减少转换层上下楼层结构的抗侧刚度和承载力变化,如各塔楼平面力求简单,尽量增加落地剪力墙数量,优化转换结构,加强下部结构,弱化上部结构。从基础设计、上部结构布置、结构整体计算分析等三方面介绍了工程的混凝土结构设计,总结了框支剪力墙结构的设计要点,对转换梁的设计也进行了详细阐述。
北京雪莲大厦为地上部分36层,建筑总高度146.30m的高层建筑,结构具有以下特点:结构高度高,地震反应大,平面轮廓不规则,在纵横两个方向的框架不正交,不能形成有效的抗侧力体系。为解决这些问题,设计中采取了以下措施:采用由矩形钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒组成的混合结构体系,并设了两个加强层,有效地加强了结构的刚度,采用矩形钢管混凝土框架则解决了框架不正交所带来的梁柱连接问题。介绍了该工程结构体系的选择,加强层的设计及型钢梁柱节点的处理等,工程实践表明:在高烈度区,带加强层的混合结构体系能够满足结构各项设计要求;矩形钢管混凝土柱可大大减少柱断面,也便于非正交框架体系中梁柱的连接。
随着超高层住宅建设项目的日益增多、超限结构设计问题引起工程设计人员的高度关注。沈阳世茂五里河项目1#住宅楼工程,主体结构总高度175.2m,采用钢筋混凝土剪力墙结构。该工程为高度超限结构,且高宽比超出规范中对B级高度的要求,2层局部存在框支转换。针对本工程的特点,并结合超限审查时专家的建议,介绍了对该工程超限情况所采取的措施,包括计算分析及构造措施;并简要介绍了结构整体计算分析的内容、结果。该工程结构设计可为类似工程提供参考。
兰州国芳大酒店超限高层顶部旋转餐厅的大空间网架屋盖的结构选型中,根据该网架受力的特点,采用了局部三层的布置方式,不但有良好的受力性能,而且经济好。结构计算的模型处理非常重要,特别是支承结构的约束条件,条件复杂时,建议按无约束和弹性约束支承分别进行计算,对下部混凝土结构和网架结构相互影响的计算分析方法进行讨论。对于地震反应的计算,采用了规范简化的方法和振型分解反应谱法对比分析;振型模态反应了结构的受力特点。通过网架的设计,强调了概念设计在空间结构设计中的重要性,不可只依靠理论计算的精确性指导设计。
面向日益增加的高层连体建筑,分析以往地震灾害中连廊破坏的主要原因,从连廊与主体结构的连接方式这一关键问题入手,在理论分析的基础上,通过对多种连接方式的有限元计算比较,结合模拟地震振动台试验结果,探讨在不同情况下连廊与主体结构的优选连接方案。研究表明:带连廊高层建筑宜优先考虑柔性连接方式,该连接方式能够极大改善连体结构体系的动力特性和动力响应,加强结构的抗震性能。在具体设计时,连廊宜优先采用轻质高强的钢结构,柔性节点必须具备足够的初始刚度和合适的变形刚度。此外,施工工况是设计中必须充分考虑的重要因素。
成都传媒中心大厦是由一组交错布置的裙房和超高层办公塔楼组成的不规则结构,外立面为三角形网格。结构利用建筑立面造型的三角形网格,形成具有良好承受水平和竖向荷载能力的空间外框筒结构体系,内部则采用框架结构体系。从结构受力特点、节点构造设计、抗震性能、施工可行性等方面对外框筒结构选型进行了综合比较分析,外框筒主结构体系采用钢结构。对内部有无核心筒进行了对比分析,计算表明可以取消内部核心筒。通过对钢结构、钢筋混凝土结构以及钢骨混凝土结构三种方案结构选型综合分析,钢结构方案结构性能最优。最后专门对钢结构方案进行了Push-over抗震性能分析,在7度罕遇地震性能点,结构构件仍处于弹性状态,无塑性铰出现,结构的最大的层间位移角发生在结构立面收进位置,且都能满足规范的变形要求。对结构进行继续加载,主要出铰位置为结构外框的角部及外框收进开洞部位,随后结构的部分梁出现塑性铰,柱无塑性铰出现,满足"强柱弱梁"。当结构的顶点位移达到结构
深圳迈瑞大厦为超A级高度的超限高层建筑。采用基于性能的抗震设计方法对该结构抗震设计的可行性进行了研究。根据本工程采用的结构体系、平面布置和结构高度超限特点,选用了适合本工程的抗震性能目标。通过采用SATWE和ETABS程序进行小震作用下计算结果对比分析、中震作用下构件不屈服判别分析、大震作用下静力推覆(push-over)分析,找到了结构的抗震薄弱环节,采取了相应的抗震加强措施。研究结果表明,工程结构抗震设计及采取的抗震加强措施能满足"小震不坏、中震可修、大震不倒"的抗震设防要求。
大连小平岛假日公寓是由两栋超高层主楼和五层大底盘裙房组成的超高层建筑,主楼高度为269.0m,是国内目前拟建的最高住宅,工程平面由4个结构单元与核心筒组成,采用"剪力墙+核心筒"的结构体系。针对工程的特点、超限情况,进行基于性能化结构抗震设计,在设计中采用SATWE、ETABS程序,进行小震作用和中震作用下结构整体计算分析、弹性时程分析的弹性设计,并对4个独立单元进行整体稳定分析;在中震作用下,对受力最不利墙肢进行轴力校核,确保墙肢底部不会出现拉应力,保证竖向构件的中震弹性设计;在大震作用下,采用ABAQUS程序进行动力弹塑性时程分析,以找出大震作用下的薄弱部位。同时,对受力复杂的连接楼板运用多种计算方法进行计算比较,并运用PMSAP程序进行有限元分析。对以上分析结果中薄弱部位及关键部位采用相应构造措施,以保证抗震性能目标的实现。结果表明,该结构体系是安全、可行的。
广州珠江新城西塔工程为超高层建筑结构,进行了模拟地震振动台试验。为了使得振动台试验获得良好效果,在该工程结构振动台试验的模型设计阶段进行了模型结构简化、相似比设计、模型结构构件设计和模型节点构造设计。对模型构件和节点进行试验研究,结果表明模型构件和节点与原型结构构件和节点的刚度、承载力相似关系均符合要求,保证模型与原型的弹性相似和破坏形态的相似,保证了振动台试验结果的准确性,并为类似工程的振动台试验工作提供了良好的基础和借鉴。
南京德基广场二期塔楼是一幢平面及立面均不规则的复杂超高层结构,结构采用了带加强层的框架-核心筒抗侧力体系。进行了1∶23缩尺比例的整体模型振动台试验,分析了试验中的现象、结构的动力特性、加速度反应、位移反应、关键部位的动应变反应,研究了结构的破坏机理和破坏模式,指出了结构的薄弱部位,评价了该结构体系的整体抗震性能。对结构的设计提出了薄弱层及其相邻层侧向刚度适当调整、下部楼层楼板开洞附近梁式楼板加强等方面建议。试验结果表明,虽然加强层会引起结构局部刚度、承载力突变,结构受力复杂化,并易形成薄弱部位,但总体上加强层的设置可使周边框架柱有效地发挥作用,增强了整个结构的抗侧力刚度。通过合理分析和设计,可使加强层的不利影响降低到较小的程度。
通过对结构变形机理的分析指出:竖向地震作用下,一般的框剪、框筒等多、高层建筑结构中可能存在显著的竖向相对错动效应;大跨结构、长悬臂结构中则可能出现竖向二次共振;结构的竖向抗震设计中,应重视发生于墙-墙、墙-柱或柱-柱之间的竖向错动效应,对于大跨结构的设计,则应有意识地使设计方案避开二次共振。《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)规定的计算竖向地震作用的"底部轴力法"和"直接地震作用系数法"不能充分反映结构的竖向错动效应和二次共振效应,而振型分解反应谱方法则可以准确地计算这些效应。基于此,为了给复杂结构、大跨结构的竖向地震设计提供一个合理、有效的工具,在复杂多、高层有限元分析与设计软件PMSAP中,实现了竖向地震反应谱分析,并将其分析结果严格按照中国规范纳入了基本构件的设计。
结合工程实例,对大底盘、带转换层、不等高多塔楼、连体超限复杂高层建筑群的结构设计进行较为系统的总结,详细阐述了超大地下室减小差异沉降和温度应力影响的裂渗控制方法,并根据上部大底盘、多塔楼、连体结构的受力特性,提出了运用"调"、"抗"、"放"整体结构构思的先进设计思想,以及解决类似技术难题的思路与方法,专门设计了一种适用于高层建筑的新型连体钢结构"呼吸系统",同时,对做好现场技术服务与确保工程质量的关系进行了实践与研讨,工程实例经受了多次超强特大台风和多年的冷热温度变化等多种受力工况的考验,实现了预期的目标。
进行了3组共6个框架柱的滞回性能试验研究,3组试件分别为钢筋混凝土柱(RC柱)、型钢混凝土柱(SRC柱)与钢管约束钢筋混凝土柱(STRC柱);每组2个试件,包括1个剪跨比λ=3.0的中长柱和1个剪跨比λ=1.5的超短柱。3组试件的截面尺寸、柱子长度和轴力相同,且SRC柱与STRC柱的用钢量相同。试验结果表明,RC与SRC超短柱的变形能力不满足现行抗震规范要求。SRC柱的受弯承载力高于STRC柱,但其变形能力、延性和耗能能力低于STRC柱。STRC短柱中,外包钢管不能有效提高短柱的受剪承载力,但外包钢管对核心混凝土的约束作用有效提高了短柱的延性和变形能力。根据试验结果,建议了STRC超短柱的受剪承载力计算方法,可为工程实践提供参考。
根据反应谱计算理论得到了线性单自由度体系在地震作用下的输入能量谱、阻尼耗能谱、滞回耗能谱以及动能谱计算公式,通过数值计算得到了4种不同类别场地土条件下160条强震记录的输入能量谱,研究了输入能量谱的特点。研究结果表明,能量谱曲线可以分为3段,即短周期的上升段、中等周期的平台段和长周期的下降段。场地类别对能量谱平台段有一定的影响。最后,提出了描述输入能量谱的谱形状的3段式曲线方程,回归得到了输入能量谱的简化计算公式,验证了简化计算公式的合理性。
某大型会议中心为2010年上海世博会较大的一个场馆,主体结构为框架-支撑结构,针对结构平面布置复杂、结构抗震要求高等特点,结构采用防屈曲耗能支撑钢框架结构体系。提出防屈曲耗能支撑的布置原则和分析方法,采用Pushover分析法追踪不同地震水平下本工程结构的抗震性能,包括水平力与变形的关系、结构塑性变形发展过程、结构的延性评价。分析结果表明:采用防屈曲耗能支撑能有效减小作用在结构上的地震力,耗散地震能量,结构整体具有较好的延性,地震作用下的破坏部位可以预见;对防屈曲耗能支撑安装前的施工阶段进行验算以说明施工阶段主体结构的安全性;通过与普通支撑结构的技术经济性比较,评价防屈曲耗能支撑结构的合理性和可行性。采用防屈曲耗能支撑既能提高结构的安全性和可修复性,又可以有效降低主体钢结构用量。
根据4个按延性需求设计的高性能混凝土剪力墙的试验结果,分析了轴压比、约束箍筋数量及范围等因素对高性能混凝土剪力墙的延性、耗能能力和破坏形态的影响,分析了分段约束箍筋对剪力墙截面的约束机理。研究结果表明,分段约束高强箍筋能有效增大高性能混凝土剪力墙截面的约束效果,根据轴压比和位移延性需求确定的分段约束箍筋数量和范围,可以明显改善高性能混凝土的脆性,使高性能混凝土剪力墙的延性指标达到设计要求。
对温州东海广场工程这一具有较大截面长宽比的复杂高层建筑进行了风荷载数值模拟和风洞试验研究。首先,在工程预研阶段用数值模拟方法计算得到了主要风向角工况下结构表面的平均风荷载分布。然后,参考数值模拟计算结果,引导进行风荷载风洞试验的测点布置方案,进行风洞模拟试验研究。最后,将数值计算结果和风洞试验数据进行了对比,显示数值模拟计算和风洞试验结果两者吻合较好。研究表明,综合采用数值模拟和风洞试验研究,可以较为准确地把握复杂建筑结构的风荷载分布,这种方法有助于提高结构抗风研究的水平。
温州东海广场是高200m的超高层建筑,风荷载是其结构设计的控制荷载之一。进行了刚性模型同步测压风洞试验,以此为基础,根据随机振动原理,考虑了风力相关性及振型耦合,对温州东海广场超高层建筑进行了风振响应分析,计算得到36个风向角下的风致响应和等效静力风荷载。计算结果表明,温州东海广场工程主塔楼Y轴方向的风荷载大于X轴方向风荷载,80°风向角为不利风向;角点和质心位置的合加速度响应均小于0.15m/s2,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)顶点最大加速度限值的要求。
深圳红树西岸地下室1层的面积约50000m2,平面复杂,长度超过300m,不设永久伸缩缝,为一超长、超宽大面积混凝土结构,温差收缩效应在该类结构中更为复杂突出,仅通过构造措施难以解决。在对国内外温差计算分析研究基础上,参照文献[1]提出的温差效应计算新方法,首次对复杂超大型项目地下室顶、底板的温差收缩效应进行了完整的有限元计算分析。计算分析结果表明,文献[1]提出的温差效应计算方法及温差效应施工模拟、地基或桩基的有限约束刚度,计及混凝土收缩徐变、计及后浇带影响等理念可广泛应用于大型地下室及超长混凝土结构实际工程中,具有很好的可操作性。并在此基础上提出了解决超大面积混凝土结构温差效应的针对性措施,对面广量大的大体量混凝土结构设计有一定的参考价值。
通过一系列在首层架空层设置转换层的高层建筑的有限元分析,对楼层侧向刚度比、等效剪切刚度比和等效侧向刚度比三种转换层结构侧向刚度控制参数进行了探讨。讨论了在不同首层层高条件下,转换层下部结构侧向刚度改变对这三种侧向刚度比控制参数的影响。结果表明,首层层高较高且与相邻层层高相差悬殊时,楼层侧向刚度比和等效剪切刚度比容易大幅度超过现行规范限值,但并不能由此判断转换层下部结构侧向刚度严重不足。这种情况下,等效侧向刚度比较好地体现了转换层上下结构的侧向刚度关系,宜按等效侧向刚度比对结构侧向刚度进行控制,但其上限取值有待进一步研究。
阜阳师范学院教学主楼为一幢8层建筑,1层以下为一整体建筑,在1~4层之间设一个宽28.8m大门洞,4层以上连为一整体。在4层顶设一根长28.8m预应力大梁,在4层预应力梁上立柱与5~8层框架组成预应力多层空腹桁架,为增加结构的抗侧刚度,加大连体结构的整体性,提高抗御侧向力的能力,在梁的两端设置钢筋混凝土筒体,这样由28.8m预应力大梁与上部4层框架组成预应力多层空腹桁架与两端钢筋混凝土筒体组成预应力连体复杂结构受力体系。为使这种预应力连体复杂结构的预应力有效建立起来,解决大跨度预应力梁与上面几层普通钢筋混凝土框架共同作用,建立了相应的理论计算模型。采用PKPM系列软件进行计算,并用弹性时程分析法对弹塑性阶段进行计算。依据计算结果综合评估了结构的地震响应和承载性能,各项指标满足规范要求。
基于对某超高层框筒-伸臂结构的可行性研究,提出5种结构方案,研究了设置环向桁架和伸臂对结构体系受力和变形性能的影响。计算结果表明:在低烈度地区的超高层建筑,一般风荷载是控制性工况,整体稳定性可能会成为结构体系成立与否的决定性因素。若伸臂和环向桁架同时设置,可形成筒体、伸臂和框架柱共同工作,减小了核心筒承担的倾覆力矩,伸臂成为整个结构的第二道抗侧力体系,各类构件受力性能更趋于经济合理。同时,伸臂的设置会引起邻近楼层墙柱内力突变,故应对该区域结构构件提出更加严格的抗震措施,保证其不成为薄弱部位。对比分析结果认为:对此类结构体系应多方案论证其可行性和经济性,伸臂和环向桁架设置的位置、数量和截面尺寸的确定应综合考虑各项因素。
揭示了由上部钢结构和下部混凝土结构组成的大跨空间结构传统的上下部结构单体设计方法存在安全隐患,这种方法既不能反映上部结构刚度对整体结构的贡献,也不能反映下部结构有限刚度对上部结构的效应放大;提出了上部结构对下部结构既有作用又有刚度约束,下部结构对上部结构既有支承又有效应放大,故需通过总装分析整体结构。通过济南奥林匹克中心体育场实例的总装分析与单体分析结果对比,论证了整体结构总装分析能够得到较为合理可靠的上下部结构在重力、风、地震、温度作用下的效应,尤其能揭示连接界面结构构件的实际受力状态。整体结构总装分析的理念与方法对大跨空间结构的设计参考应用。
结构在地震中的扭转反应控制是高层建筑抗震设计中的一个重要内容。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)主要通过考虑偶然偏心和控制周期比、位移比来控制结构的扭转反应。控制扭转的技术措施主要分两类:一是调整质量中心和刚度中心的偏心;二是增大结构的抗扭刚度或者适当减小结构的抗侧刚度。根据理论分析及实际工程经验,得出如下结论:抗震设计时宜取考虑偶然偏心和考虑双向地震两者中不利结果进行设计;宜控制结构的前两个振型以两正交主轴方向上的平动振型为主;对于平面狭长的框架结构,加大两边榀的框架梁比加大边榀的柱在提高结构的抗扭刚度上能起到更好的效果;剪力墙结构可以通过加大外圈连梁高度,角窗部位增设暗梁来提高结构的抗扭刚度。
短柱轴压承载力是钢管混凝土最重要的力学指标之一,但目前对钢管高强混凝土力学性能的研究不够深入,强度指标不统一,各种计算方法差异较大,给工程应用带来困难。通过分析和对比11种国内外规程中计算钢管高强混凝土轴压承载力公式的差异,根据计算理论将其分为三类:套箍混凝土理论、统一理论、叠加计算理论。结合3个大尺寸轴压短柱试验研究结果,指出基于统一理论和叠加计算理论的结果较试验值低9%~31%,偏于保守;而《高强混凝土结构技术规程》(CECS 104∶99)的计算值与试验结果最为吻合且偏于安全,适用于工程实际;4种国外规程对钢管作用于混凝土的环箍效应考虑较少甚至不考虑,不能充分利用钢管混凝土的承载能力,在进行计算或设计时值得注意。
准确评估高层建筑中钢筋混凝土柱在长期荷载作用下的竖向变形是设计的一项重要任务。总的竖向变形包括两部分:瞬时弹性变形和随时间变化的收缩徐变变形。钢筋和混凝土是性质不同的两种材料,收缩徐变导致钢筋和混凝土之间内力重分布。把钢筋混凝土柱简化为轴向受力构件进行弹性分析和收缩徐变分析。假设柱子均匀徐变,应力应变均匀分布,满足平截面假定和叠加原理。柱中混凝土应力由常应力σ0 c和变应力-Δσ1 cr两部分构成。收缩徐变模型采用欧洲规范CEB-FIP(MC 1990),计算加载龄期t0=7天到计算龄期t=50年(结构设计使用年限50年)时混凝土应力和应变。同时考虑设计轴压比相同时,研究不同配筋率钢筋混凝土柱初始弹性应变和收缩徐变应变以及各部分材料弹性应力和收缩徐变应力。通过对不同配筋率钢筋混凝土柱的收缩徐变分析,得出柱子的最佳配筋率为2%~3%。
结构发生连续倒塌将会导致严重的生命和财产损失,造成重大的社会影响,因而日益受到工程设计人员的关注。欧美等国已相继制定了连续倒塌相关的设计规范并提出了相应的设计分析方法,但还不够完善。对现有的结构连续倒塌相关的规范设计及分析方法进行总结和归纳,并指出其中存在的一些问题。提出了在进行多重荷载路径法分析时应通过结构自重的施工模拟来考虑结构初始态的重大影响,以及运用结构动力学理论推导出结构在不同构件失效时间下的动力响应,建议在进行多重荷载动力分析时应考虑不同构件失效时间的影响。最后对动力弹塑性时程分析方法在结构抗连续倒塌设计分析中的应用进行了初步的探讨,阐述了动力弹塑性时程分析的基本方法及其优点和缺点。
对2个空间整浇梁板试件进行了竖向静力加载试验,并通过与不带板的梁试件及平面截断梁板试件的对比和非线性有限元分析,研究了竖向荷载作用下整浇梁板的空间效应对梁受力性能的影响。非线性有限元分析结果与试验结果基本吻合。试验与分析结果表明:空间梁板试件的边支座直交梁出现扭转裂缝,楼板上的裂缝多斜向分布,梁边支座截面及直交方向梁、板截面均存在一定的弯矩,空间梁板试件存在明显的空间传力路线;空间梁板试件的梁跨中先出现塑性铰,而在支座截面出现塑性铰之前,发生梁支座截面受压区混凝土压碎或支座附近剪切破坏,这种破坏模式与平面截断梁板试件基本相同,而与不带板的梁试件的破坏模式完全不同;整浇梁板的空间效应大幅度提高了梁的刚度和承载能力。
介绍了P-Δ效应分析中常见的4种基本方法:基于几何刚度的有限元方法、基于等效水平力的有限元迭代方法、折减弹性抗弯刚度的有限元法以及结构位移和构件内力增大系数法,并对各种方法的特点作了简要分析。对"结构在考虑P-Δ效应后其自振周期发生变化"的情况进行了讨论,并指出其合理性。最后通过算例,研究了P-Δ效应在不同高度的钢筋混凝土高层建筑的总体结构反应中所占的可能的比例,以及考虑P-Δ效应时地震作用和风荷载引起的层间位移的变化规律。
依据大量实际工程弹性、弹塑性动力时程分析经验,结合实际工程应用,探讨了弹性、弹塑性动力时程分析方法中的一些基本问题。针对性地分析了动力时程分析方法中地震波的离散性;地震波如何与反应谱曲线在统计意义上相符;人工模拟地震波方法及其工程应用;弹性、弹塑性时程分析法选取地震波的基本原则;弹性时程分析法地震波的选取数量;如何将反应谱分析结果与时程分析结果取较大值等方面的问题。通过大量的算例分析可以看出,正确地应用弹性、弹塑性动力时程分析方法需要从多个方面进行准确理解和把握,教条地应用很难发挥弹性、弹塑性动力时程分析应有的作用。
为了对复杂高层结构进行数值模拟,初步探讨了ABAQUS显式动力模块下的用户材料子程序(VUMAT)的开发过程,给出了可应用于VUMAT接口的单参数混凝土弹塑性模型的显式计算表达式,通过对梁单元的应用初步验证了该材料模型的有效性。最后结合工程实例对数值模拟和振动台试验结果进行了对比分析研究。分析结果表明,所建立的分析模型不但能够较为准确地判断高层结构在大震作用下的屈服顺序及薄弱部位,而且能够方便地考虑结构塑性阶段的损伤扩展情况。
通过对幕墙防爆炸设计过程的介绍,提出高层幕墙防爆炸设计概念和基本原理。在论述设计过程中,着重在爆炸力传递和设计思路上做创新思考,同时在参考世界上防爆炸规范的基础上提出试验设计原理,用作对设计的验证。最后通过理论设计要求与CCTV新台址建设项目幕墙爆炸试验结果作对比,验证设计的合理性、安全性。在幕墙材料选择、形式确定、系统构造设计、幕墙与主体结构连接特别是系统、构件受力特点等设计技术关键控制因素上进行探索,试图形成一套基本力学分析设计思路、试验思路,总结出夹层玻璃、明框形式、材料动力增强系数、构件之间的连接形式等是考虑爆炸设计的关键因素,对高层建筑幕墙防爆炸力学设计提出概念性的指导意见。
介绍了威海海悦大厦的基础设计、基础计算、工程实测。在高层建筑基础设计中,通过调整地基和基础的刚度分布,可有效的协调和控制基础差异沉降。采用CFG桩复合地基时,根据地层分布特点采用变桩长是实现地基基础变刚度最科学有效、经济合理的途径。在基础设计中用复合地基方案代替桩筏基础方案,在复合地基布桩时采用地基变刚度调平理论进行优化布桩,采用PKPM软件中JCCD软件软件模块进行上下部结构共同作用分析计算并与实测结果进行对比,实测结果与计算值总体相近并偏小,计算结果偏安全。
结合近年来高层建筑常用的基础构造防水底板设计的工程实践,通过对这种基础的分析比较,研究了设计过程中有关地基承载力深度修正的计算取值、底板的抗浮设计、防水板反力确定原则及构件计算的建议方法。建议地基承载力深度修正的计算取值除考虑基础埋置深度外尚应考虑构造防水板承载力的影响,以避免由于其载力不足而导致基底以下土体剪切破坏的可能;抗浮设计水位的选取可根据基底持力层的透水性情况分别考虑上层滞水或承压水的影响;针对防水板反力的确定,在总结了国内常用技术规范对构造防水板底板反力计算要求的基础上,建议底板的反力可取上部结构竖向荷载的5%~15%加上地下水浮力进行结构分析;还对独立基础和桩基情况下防水板构件的计算进行了分析探讨并给出了相关建议,供设计参考。
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