高層綜合體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

高層綜合體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

0多塔體結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布及風(fēng)振效應(yīng)規(guī)律研究尚不完全高層建筑是一種復(fù)雜的高層建筑。由于相鄰塔樓結(jié)構(gòu)動力特性的差異,導(dǎo)致連體與結(jié)構(gòu)主體塔樓連接部位的受力狀態(tài)非常復(fù)雜,在水平與豎向地震作用下極易與主體塔樓脫離,產(chǎn)生連體倒塌現(xiàn)象。另外多塔連體結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布及風(fēng)振效應(yīng)規(guī)律的研究尚不充分。目前設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)連體建筑的設(shè)計(jì)條文仍然比較粗略和宏觀。文中對與高層連體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題的研究現(xiàn)狀作一回顧。1基于分段連續(xù)串并聯(lián)模型的求解方法靜力荷載作用主要指豎向和水平靜力荷載作用。包世華教授運(yùn)用分段連續(xù)化方法,建立分段連續(xù)串并聯(lián)模型在水平荷載作用下的微分方程組,用常微分求解器求解。黃坤耀、盧文汀分別采用有限元方法就一雙塔連體結(jié)構(gòu)算例分析了連體剛度和位移對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響,馮春鵬比較了豎向荷載作用下連體結(jié)構(gòu)方式。2水平地震作用2.1單體結(jié)構(gòu)相關(guān)研究目前大部分文獻(xiàn)對地震作用研究都集中在水平地震作用,而水平地震作用研究又以剛性連接為主,該類研究文獻(xiàn)作者主要來源國內(nèi)。連體結(jié)構(gòu)研究文獻(xiàn)發(fā)表始于1996年,綜觀13年來理論研究發(fā)展,研究方法分兩大類:連續(xù)化方法和有限元算例數(shù)值分析[2,3,4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。包世華教授分析基于常微分求解器的方法研究了連體振動計(jì)算和動力特性,婁宇利用有限元分析提出連體振型分布及振型和參與系數(shù)的關(guān)系,呂西林教授提出分塊彈性樓板建模思想,黃坤耀利用連續(xù)方法系統(tǒng)研究了連體剛度和位置、連體與塔樓連接條件的影響,卞朝東進(jìn)一步闡述了對稱振型參與系數(shù)為零的物理意義,吳耀輝通過分析剛度矩陣揭示連體結(jié)構(gòu)平扭耦聯(lián)的原因,林海瑛用QR法研究了連體結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性性能,王克峰對連體結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)提出調(diào)整振型參與系數(shù)反應(yīng)譜分析方法。工程實(shí)踐上,不同造型、結(jié)構(gòu)形式、不同地震烈度、風(fēng)荷載作用的剛性連接連體結(jié)構(gòu)極大豐富了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]。已知的基于實(shí)際工程的振動臺試驗(yàn)包括上海交銀大廈、上海證券大廈、廣州信合廣場、北京UHN國際村等。他們對理論分析作了重要補(bǔ)充,也揭示了連體在不同地震下的震害。徐培?？偨Y(jié)了我國唐山地震、臺灣集集地震、日本阪神地震連體結(jié)構(gòu)連體部分由于設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施不良而發(fā)生震害的實(shí)例,指出連體是該類結(jié)構(gòu)很容易破壞并導(dǎo)致塌落的環(huán)節(jié)?？偨Y(jié)上述理論、試驗(yàn)和實(shí)踐研究成果,有兩點(diǎn)主要結(jié)論:1)整體動力特性上,連體結(jié)構(gòu)平扭耦合作用較強(qiáng),對稱連體結(jié)構(gòu)受力比不對稱連體結(jié)構(gòu)簡單;2)連體本身及上下樓層受力復(fù)雜,需作精確分析,連體層層間剛度未必越大越好?，F(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出連體結(jié)構(gòu)的體型和剛度比例的要求以及抗震性能等級調(diào)整的要求,其基本思路也是基于上述兩點(diǎn)主要結(jié)論。2.2基于約束和振動的方法柔性連接是解決剛性連接連體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的重要思路?；驹硎钱?dāng)塔樓自身水平剛度足夠,用柔性連接釋放塔樓對連體的約束作用。從深圳郵電樞紐中心、上海之江大廈、寶雞某學(xué)院圖書館的雙塔連體,發(fā)展到北京當(dāng)代MOMA,杭州市民中心的多塔連體,柔性連接連體結(jié)構(gòu)工程的規(guī)模越來越大,地震設(shè)防烈度越來越高。在該類型結(jié)構(gòu)中,為確保結(jié)構(gòu)安全,需要準(zhǔn)確計(jì)算或估算連體支座在罕遇地震下的最大相對位移,確保其不大于連體支座相對位移的行程,以免發(fā)生連體高空跌落,產(chǎn)生二次災(zāi)害。柔性連接機(jī)理的研究有:沈金對多塔樓聯(lián)體結(jié)構(gòu)實(shí)施振動控制,通過選擇合適的控制器參數(shù),聯(lián)體振動控制體系可以有效控制各單體結(jié)構(gòu)在地震動輸入下的動力反應(yīng)。黃坤耀提出運(yùn)用橡膠墊參數(shù)合理取值,可釋放剛性連接的巨大連體內(nèi)力和塔樓扭轉(zhuǎn),又有效限制連體位移,但是對其中機(jī)理未作深入分析。吳耀輝對柔性連接連體結(jié)構(gòu)整體減震作用做了分析,主要結(jié)論是若阻尼取值得當(dāng),可減少x向整體振動,但在y向塔樓不對稱時對y向減震效果有限,沒有指出支座最大相對位移影響因素。孫黃勝通過具體算例時程分析,研究了橋式連體結(jié)構(gòu)減震分析,對頻率比、質(zhì)量比、阻尼比在對稱塔樓情形下的影響做了闡述,但是對非對稱塔樓情形則沒有得出結(jié)論。戴培琪對某工程的鋼結(jié)構(gòu)有阻尼連廊做了分析,在計(jì)算罕遇地震時對主體結(jié)構(gòu)采用5%的阻尼比。徐文華對杭州市民中心運(yùn)用靜力推覆分析方法研究了罕遇地震下連廊支座最大相對位移。廣州大學(xué)做了3項(xiàng)柔性連接工程的振動臺試驗(yàn)。其中對廣州信合廣場在連廊與觀光塔連接一端設(shè)置阻尼器的試驗(yàn),結(jié)論是對整體減震效果明顯,但最后按照剛性方案實(shí)施。目前,對支座相對位移的計(jì)算有3種方法,一是對多遇地震的相對位移值乘以3倍的放大系數(shù),二是按照罕遇地震的幅值輸入地震波,對塔樓和連體本身按彈性,對連體支座按照非線性來計(jì)算。文通過對柔性連接雙塔結(jié)構(gòu)參數(shù)的系統(tǒng)分析及振動臺試驗(yàn),揭示了在隨機(jī)地震激勵下柔性連接雙塔連體結(jié)構(gòu)的連體位移與頻率比、質(zhì)量比、阻尼比的規(guī)律:1)對于塔樓對稱的情況,連體和塔樓相似于TMD的振動規(guī)律,但需采取不同的參數(shù)取值;2)對于塔樓不對稱的情況,連體在兩支座約束下的固有頻率需避開任一塔樓自振頻率,兩塔樓對連體異步驅(qū)動,可通過調(diào)節(jié)兩連體支座剛度來使兩個支座的相對位移相近;3)過濾白噪聲和平穩(wěn)白噪聲激勵下的位移規(guī)律基本相同;4)振動臺試驗(yàn)結(jié)果表明,非平穩(wěn)隨機(jī)振動輸入對連體位移第一個峰值影響很大,可提高支座阻尼比以改善?？偨Y(jié)上述眾多研究,連體與塔樓剛接導(dǎo)致的復(fù)雜內(nèi)力改用柔性連接則可以得到釋放,塔樓的扭轉(zhuǎn)減少,當(dāng)參數(shù)設(shè)置合理時,可對整體結(jié)構(gòu)取得減震效果。對支座最大相對位移的計(jì)算,多個工程采用SAP2000非線性單元模擬阻尼器,殼元和梁元模擬墻和框架,直接施加大震地震波。該法若按塔樓大震彈性設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是可行的,否則,需考慮塔樓大震下剛度退化,自振周期變長之影響,因連體相對地面的最大位移和連體支座最大相對位移并不是線性關(guān)系。運(yùn)用靜力推覆分析的方法推斷支座相對位移較為牽強(qiáng),即使運(yùn)用自適應(yīng)方法考慮多個振型加載方式,連體自振振型的影響也會“淹沒”在塔樓的眾多參與系數(shù)更大的振型里面,這類結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是連體內(nèi)力數(shù)值和正負(fù)號隨時間不斷變化,用靜力方法不能反映這一本質(zhì)。3關(guān)于其它條文的理解豎向地震作用在高層建筑中受到學(xué)者和工程師的關(guān)注不及水平地震作用,規(guī)范有關(guān)條文也較為簡單。因連體結(jié)構(gòu)的特殊性,其豎向地震作用應(yīng)有其自身規(guī)律,有必要深入研究。本節(jié)從豎向地震動輸入、高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、連體的豎向振動研究現(xiàn)狀和工程經(jīng)驗(yàn)、豎向振動控制4個方面回顧研究現(xiàn)狀。3.1豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜取值國內(nèi)和國外都有數(shù)據(jù)庫提供大量的校正后地震記錄供研究使用,是地震研究的寶貴原始資料,例如:中國國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(CEDC)、世界強(qiáng)震組織虛擬數(shù)據(jù)中心(COSMOSVirtualDataCenter)、美國太平洋地震工程研究中心(PEER)等數(shù)據(jù)庫。佘師和通過統(tǒng)計(jì)257條地震記錄,給出豎向地震反應(yīng)譜取值建議。廖振鵬教授討論結(jié)構(gòu)物的豎向地震輸入與自由地面豎向振動的關(guān)系,指出結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)不會放大豎向地震輸入,并認(rèn)為錢培風(fēng)教授的估算夸大了地震輸入,而錢則認(rèn)為,應(yīng)避免將“豎向地震力在結(jié)構(gòu)破壞中起一定作用”這種觀點(diǎn)變成數(shù)學(xué)力學(xué)問題來研究討論。周正華、耿淑偉各自研究結(jié)果均表明豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值不能簡單地取為水平向設(shè)計(jì)譜值的2/3,譜比應(yīng)依據(jù)周期、場地類別和不同震源距分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確定。王廣軍系統(tǒng)總結(jié)了89系列規(guī)范豎向地震作用計(jì)算的規(guī)范規(guī)定和依據(jù),89規(guī)范基本精神在2000系列規(guī)范繼續(xù)沿用。3.2豎向加速度反應(yīng)法目前計(jì)算豎向地震作用規(guī)范認(rèn)可的有4種方法:(1)高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算方法,該方法由劉季教授提出,考慮了高層建筑豎向基本振型和樓層質(zhì)量沿高度分布因素。王光遠(yuǎn)、劉季研究表明,煙囪水平地震作用起主要作用,對煙囪上部豎向地震反應(yīng)不可忽視。(2)大跨度、懸臂結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算方法,是張剛毅教授對大量網(wǎng)架、桁架進(jìn)行數(shù)值分析統(tǒng)計(jì)后提出。陳家坤對懸臂機(jī)庫屋蓋做了試驗(yàn)研究,并和重力系數(shù)法結(jié)果對比后認(rèn)為重力系數(shù)法結(jié)果不安全。(3)重力系數(shù)方法,已被《高規(guī)》、《高鋼》、《抗規(guī)》采納。(4)沖量定理方法,由《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》課題組提出并被該規(guī)范采納,該法結(jié)果和振動臺試驗(yàn)吻合較好。于祥用沖量定理方法計(jì)算了地下結(jié)構(gòu)豎向地震作用。由于規(guī)范尚未給出豎向反應(yīng)譜的取值,因此基于豎向加速度反應(yīng)譜的振型分解法不為規(guī)范采納。上述4種計(jì)算方法,都是適用于對特定的結(jié)構(gòu)形式,對于位于高層上的大跨度連體或大懸臂結(jié)構(gòu),則未必適用。3.3群體結(jié)構(gòu)豎向地震響應(yīng)分析關(guān)于連體結(jié)構(gòu)豎向地震的文獻(xiàn)近四年才陸續(xù)發(fā)表,但數(shù)量很少,而且都只給出現(xiàn)象而沒有從機(jī)理上解釋。劉智通過設(shè)計(jì)UHN國際村項(xiàng)目指出:1)對于8度區(qū)高層建筑上的連體豎向地震占重力地震內(nèi)力的20%,大于規(guī)范提出的10%的值;2)連體的加速度反應(yīng)呈三角形分布,跨中較大。第2)點(diǎn)結(jié)論和張毅剛教授的研究定性上相符。石文龍針對大跨度連體和長懸臂的某多塔連體高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析,該工程前三階豎向振型的周期與場地卓越周期接近,連體部分和懸臂部分的結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)較顯著而豎向位移響應(yīng)均較小。石洪林用有限元分析方法研究了豎向地震作用下連體建筑的振動反應(yīng),提出對稱連體豎向振動振型也和水平振動一樣,分為對稱和反對稱。為探索位于雙塔高層建筑上連體結(jié)構(gòu)的豎向地震作用的特有規(guī)律,文通過時程分析法考察了塔樓高度和連體跨度不同的多個算例。然后將其抽象成塔樓和連體桁架組成的兩個自由度體系,運(yùn)用頻域分析方法,得到豎向地震作用變化規(guī)律。分析表明,隨著桁架與塔樓頻率比的增加,連體地震作用的放大效應(yīng)越明顯;當(dāng)連體與塔樓質(zhì)量比較小且兩者頻率相近時,連體地震反應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)?，F(xiàn)行抗震規(guī)范的重力系數(shù)法提出的大跨度結(jié)構(gòu)豎向地震實(shí)用計(jì)算公式對文中研究結(jié)構(gòu)并不完全適用。由此提出了考慮塔樓和桁架協(xié)同的地震作用實(shí)用算式,并對一個超高層工程實(shí)例進(jìn)行了豎向地震作用分析,與時程分析結(jié)果吻合較好。3.4天橋消能減振系統(tǒng)應(yīng)用研究豎向振動控制主要分隔震和消能減振兩大類。YasushiTakei等利用較軟的橡膠疊層隔振墊對位于軌道上方的建筑在層間隔震,經(jīng)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)證實(shí)效果良好。丁幼亮等對某大跨人行天橋安裝消能減振裝置,包括TMD和粘滯阻尼器兩部分。分析表明,采用消能減振設(shè)計(jì)可有效地削減天橋的共振反應(yīng)。朱鳴等在60m跨度樓蓋中采用了多點(diǎn)TMD-粘滯流體阻尼器消能減振系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算表明,該系統(tǒng)對于大跨度樓蓋豎向振動舒適度的改善具有一定效果。肖艷平認(rèn)為MTMD對橋梁豎向振動的減振效果更明顯,且更適用于工程實(shí)踐。4現(xiàn)代高層建筑截面形式的變化風(fēng)荷載是高層建筑的主要水平荷載,其合理取值對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義?，F(xiàn)代高層建筑力求新穎獨(dú)特,截面形式變化各異;同時城市的發(fā)展必將產(chǎn)生密集的建筑群,相鄰建筑物的氣動干擾使得高層建筑的風(fēng)荷載比單體時復(fù)雜,因此需要考慮這種干擾作用。4.1高層建筑風(fēng)荷載特性國內(nèi)外對雙塔或多塔風(fēng)荷載分布的研究大多數(shù)是針對具體工程風(fēng)洞試驗(yàn)得到的結(jié)果[81,82,83,84,85,86,87]。群體建筑風(fēng)壓的影響的變量包括建筑物外形、尺寸、個數(shù)、相對位置、風(fēng)向角、風(fēng)場和風(fēng)速。一般受干擾嚴(yán)重的主要是下游建筑,下游建筑受干擾后,平均風(fēng)荷載減少,呈現(xiàn)為遮擋效應(yīng)。但同時上游建筑物的干擾又可能會增加下游建筑的脈動荷載。張相庭提出干擾增大系數(shù)并被荷載規(guī)范條文說明引用。謝壯寧教授系統(tǒng)研究了3個建筑物之間相互干擾關(guān)系。已有高層建筑的干擾效應(yīng)研究多以正方形截面高層建筑為研究對象,另一方面,雖然單體情況研究所考慮的截面形式較多,但對于結(jié)構(gòu)體型較為特別的連體高層建筑的風(fēng)荷載特性研究的不多,見報(bào)道的雙塔體型僅有D型、橢圓型,連體體型的工程有:北京西客站、上海交銀大廈、廣州信合廣場。在風(fēng)洞技術(shù)方面,目前主要方法有氣動彈性模型、剛性模型多點(diǎn)同步測壓和高頻底座動態(tài)測力天平模型3種。顯然,由于剛性連接連體結(jié)構(gòu)振型的平扭耦合,用測力天平分別測量幾個塔樓底部反力后,無法反推風(fēng)壓分布。故連體結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)多采用剛性模型多點(diǎn)同步測壓的方式,然后通過數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面的運(yùn)算得到表面風(fēng)壓及等效風(fēng)振力。對于連體建筑的風(fēng)荷載分布,目前比較可靠的方法是氣動彈性試驗(yàn),或剛性模型同步測壓試驗(yàn)。文通過風(fēng)洞試驗(yàn)剛性模型,研究了截面為切角曲邊三角形的連體雙塔高層建筑的風(fēng)荷載特性,并與單塔試驗(yàn)作比較。將風(fēng)壓沿截面進(jìn)行積分求出沿坐標(biāo)軸方向的合力,然后反算為沿坐標(biāo)軸方向的整體體型系數(shù)。結(jié)果顯示:風(fēng)壓沿高度變化不大,整體體型系數(shù)沿高度遞減。單塔最大體型系數(shù)對應(yīng)風(fēng)向角比坐標(biāo)軸偏15°。雙塔連線方向(x向)體型系數(shù)上游塔略小于單塔情形,下游塔基本為零,y向的體型系數(shù)略小于單塔y向的,連體部分體型系數(shù)達(dá)2.2。根據(jù)規(guī)范和試驗(yàn)結(jié)果,提出了類似工程合理的取值建議。4.2風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)致振動系數(shù)規(guī)范給出了以單塔第一振型為主的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式,對于多塔和連體,沒有給出該公式是否適用的規(guī)定。張相庭教授對于單塔高層建筑,比較了規(guī)范采用的順風(fēng)向簡化風(fēng)振公式與考慮多振型的精確公式的誤差。對高層建筑風(fēng)振方面,Kasperski提出了計(jì)算荷載響應(yīng)相關(guān)法方法(L.R.C.)用于計(jì)算風(fēng)振力。Ji-YoungKim在LRC法基礎(chǔ)上提出修正的LDRC法,考慮了共振部分。葉豐在風(fēng)洞試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對高層建筑順、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)方向風(fēng)致響應(yīng)及靜力等效風(fēng)荷載進(jìn)行系統(tǒng)研究,并提出簡化實(shí)用計(jì)算方法。對連體風(fēng)振研究方面,黃耀坤采用隨機(jī)振動方法分析了連體兩端橡膠墊連接時,橡膠墊參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)振加速度、位移響應(yīng)的影響。其研究是基于滿足準(zhǔn)定常假定的風(fēng)譜和相關(guān)系系數(shù)公式作為基本的輸入。而對于連體或雙塔這類群體建筑,準(zhǔn)定常假定不一定滿足。另外,作者假定順風(fēng)向風(fēng)載和橫風(fēng)向風(fēng)載完全不相關(guān),且不考慮風(fēng)的扭矩對建筑物響應(yīng)的影響,這均與實(shí)際情況不相符。陳豐等根據(jù)隨機(jī)理論公式,編制復(fù)雜體型高層建筑風(fēng)振系數(shù)的分析軟件,對于常規(guī)的高層建筑,風(fēng)振分析軟件計(jì)算的結(jié)果與規(guī)范風(fēng)振系數(shù)的結(jié)果十分接近,而對特殊復(fù)雜高層建筑,兩者的等效風(fēng)荷載基底剪力或彎矩誤差