高层综合体建筑结构设计关键问题

高层综合体建筑结构设计关键问题

0多塔体结构风压分布及风振效应规律研究尚不完全高层建筑是一种复杂的高层建筑。由于相邻塔楼结构动力特性的差异,导致连体与结构主体塔楼连接部位的受力状态非常复杂,在水平与竖向地震作用下极易与主体塔楼脱离,产生连体倒塌现象。另外多塔连体结构表面风压分布及风振效应规律的研究尚不充分。目前设计规范中有关连体建筑的设计条文仍然比较粗略和宏观。文中对与高层连体建筑结构设计相关问题的研究现状作一回顾。1基于分段连续串并联模型的求解方法静力荷载作用主要指竖向和水平静力荷载作用。包世华教授运用分段连续化方法,建立分段连续串并联模型在水平荷载作用下的微分方程组,用常微分求解器求解。黄坤耀、卢文汀分别采用有限元方法就一双塔连体结构算例分析了连体刚度和位移对结构静力性能的影响,冯春鹏比较了竖向荷载作用下连体结构方式。2水平地震作用2.1单体结构相关研究目前大部分文献对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刚性连接为主,该类研究文献作者主要来源国内。连体结构研究文献发表始于1996年,综观13年来理论研究发展,研究方法分两大类:连续化方法和有限元算例数值分析[2,3,4,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。包世华教授分析基于常微分求解器的方法研究了连体振动计算和动力特性,娄宇利用有限元分析提出连体振型分布及振型和参与系数的关系,吕西林教授提出分块弹性楼板建模思想,黄坤耀利用连续方法系统研究了连体刚度和位置、连体与塔楼连接条件的影响,卞朝东进一步阐述了对称振型参与系数为零的物理意义,吴耀辉通过分析刚度矩阵揭示连体结构平扭耦联的原因,林海瑛用QR法研究了连体结构弹性和弹塑性性能,王克峰对连体结构行波效应提出调整振型参与系数反应谱分析方法。工程实践上,不同造型、结构形式、不同地震烈度、风荷载作用的刚性连接连体结构极大丰富了设计经验[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]。已知的基于实际工程的振动台试验包括上海交银大厦、上海证券大厦、广州信合广场、北京UHN国际村等。他们对理论分析作了重要补充,也揭示了连体在不同地震下的震害。徐培福总结了我国唐山地震、台湾集集地震、日本阪神地震连体结构连体部分由于设计和构造措施不良而发生震害的实例,指出连体是该类结构很容易破坏并导致塌落的环节。总结上述理论、试验和实践研究成果,有两点主要结论:1)整体动力特性上,连体结构平扭耦合作用较强,对称连体结构受力比不对称连体结构简单;2)连体本身及上下楼层受力复杂,需作精确分析,连体层层间刚度未必越大越好。现行《高层建筑混凝土结构设计规范》提出连体结构的体型和刚度比例的要求以及抗震性能等级调整的要求,其基本思路也是基于上述两点主要结论。2.2基于约束和振动的方法柔性连接是解决刚性连接连体结构受力复杂的重要思路。基本原理是当塔楼自身水平刚度足够,用柔性连接释放塔楼对连体的约束作用。从深圳邮电枢纽中心、上海之江大厦、宝鸡某学院图书馆的双塔连体,发展到北京当代MOMA,杭州市民中心的多塔连体,柔性连接连体结构工程的规模越来越大,地震设防烈度越来越高。在该类型结构中,为确保结构安全,需要准确计算或估算连体支座在罕遇地震下的最大相对位移,确保其不大于连体支座相对位移的行程,以免发生连体高空跌落,产生二次灾害。柔性连接机理的研究有:沈金对多塔楼联体结构实施振动控制,通过选择合适的控制器参数,联体振动控制体系可以有效控制各单体结构在地震动输入下的动力反应。黄坤耀提出运用橡胶垫参数合理取值,可释放刚性连接的巨大连体内力和塔楼扭转,又有效限制连体位移,但是对其中机理未作深入分析。吴耀辉对柔性连接连体结构整体减震作用做了分析,主要结论是若阻尼取值得当,可减少x向整体振动,但在y向塔楼不对称时对y向减震效果有限,没有指出支座最大相对位移影响因素。孙黄胜通过具体算例时程分析,研究了桥式连体结构减震分析,对频率比、质量比、阻尼比在对称塔楼情形下的影响做了阐述,但是对非对称塔楼情形则没有得出结论。戴培琪对某工程的钢结构有阻尼连廊做了分析,在计算罕遇地震时对主体结构采用5%的阻尼比。徐文华对杭州市民中心运用静力推覆分析方法研究了罕遇地震下连廊支座最大相对位移。广州大学做了3项柔性连接工程的振动台试验。其中对广州信合广场在连廊与观光塔连接一端设置阻尼器的试验,结论是对整体减震效果明显,但最后按照刚性方案实施。目前,对支座相对位移的计算有3种方法,一是对多遇地震的相对位移值乘以3倍的放大系数,二是按照罕遇地震的幅值输入地震波,对塔楼和连体本身按弹性,对连体支座按照非线性来计算。文通过对柔性连接双塔结构参数的系统分析及振动台试验,揭示了在随机地震激励下柔性连接双塔连体结构的连体位移与频率比、质量比、阻尼比的规律:1)对于塔楼对称的情况,连体和塔楼相似于TMD的振动规律,但需采取不同的参数取值;2)对于塔楼不对称的情况,连体在两支座约束下的固有频率需避开任一塔楼自振频率,两塔楼对连体异步驱动,可通过调节两连体支座刚度来使两个支座的相对位移相近;3)过滤白噪声和平稳白噪声激励下的位移规律基本相同;4)振动台试验结果表明,非平稳随机振动输入对连体位移第一个峰值影响很大,可提高支座阻尼比以改善。总结上述众多研究,连体与塔楼刚接导致的复杂内力改用柔性连接则可以得到释放,塔楼的扭转减少,当参数设置合理时,可对整体结构取得减震效果。对支座最大相对位移的计算,多个工程采用SAP2000非线性单元模拟阻尼器,壳元和梁元模拟墙和框架,直接施加大震地震波。该法若按塔楼大震弹性设防标准是可行的,否则,需考虑塔楼大震下刚度退化,自振周期变长之影响,因连体相对地面的最大位移和连体支座最大相对位移并不是线性关系。运用静力推覆分析的方法推断支座相对位移较为牵强,即使运用自适应方法考虑多个振型加载方式,连体自振振型的影响也会“淹没”在塔楼的众多参与系数更大的振型里面,这类结构关键是连体内力数值和正负号随时间不断变化,用静力方法不能反映这一本质。3关于其它条文的理解竖向地震作用在高层建筑中受到学者和工程师的关注不及水平地震作用,规范有关条文也较为简单。因连体结构的特殊性,其竖向地震作用应有其自身规律,有必要深入研究。本节从竖向地震动输入、高层建筑和大跨度结构计算方法、连体的竖向振动研究现状和工程经验、竖向振动控制4个方面回顾研究现状。3.1竖向设计反应谱取值国内和国外都有数据库提供大量的校正后地震记录供研究使用,是地震研究的宝贵原始资料,例如:中国国家地震科学数据共享中心(CEDC)、世界强震组织虚拟数据中心(COSMOSVirtualDataCenter)、美国太平洋地震工程研究中心(PEER)等数据库。佘师和通过统计257条地震记录,给出竖向地震反应谱取值建议。廖振鹏教授讨论结构物的竖向地震输入与自由地面竖向振动的关系,指出结构物的基础不会放大竖向地震输入,并认为钱培风教授的估算夸大了地震输入,而钱则认为,应避免将“竖向地震力在结构破坏中起一定作用”这种观点变成数学力学问题来研究讨论。周正华、耿淑伟各自研究结果均表明竖向设计反应谱值不能简单地取为水平向设计谱值的2/3,谱比应依据周期、场地类别和不同震源距分别进行统计确定。王广军系统总结了89系列规范竖向地震作用计算的规范规定和依据,89规范基本精神在2000系列规范继续沿用。3.2竖向加速度反应法目前计算竖向地震作用规范认可的有4种方法:(1)高层建筑和高耸结构的简化计算方法,该方法由刘季教授提出,考虑了高层建筑竖向基本振型和楼层质量沿高度分布因素。王光远、刘季研究表明,烟囱水平地震作用起主要作用,对烟囱上部竖向地震反应不可忽视。(2)大跨度、悬臂结构的简化计算方法,是张刚毅教授对大量网架、桁架进行数值分析统计后提出。陈家坤对悬臂机库屋盖做了试验研究,并和重力系数法结果对比后认为重力系数法结果不安全。(3)重力系数方法,已被《高规》、《高钢》、《抗规》采纳。(4)冲量定理方法,由《烟囱设计规范》课题组提出并被该规范采纳,该法结果和振动台试验吻合较好。于祥用冲量定理方法计算了地下结构竖向地震作用。由于规范尚未给出竖向反应谱的取值,因此基于竖向加速度反应谱的振型分解法不为规范采纳。上述4种计算方法,都是适用于对特定的结构形式,对于位于高层上的大跨度连体或大悬臂结构,则未必适用。3.3群体结构竖向地震响应分析关于连体结构竖向地震的文献近四年才陆续发表,但数量很少,而且都只给出现象而没有从机理上解释。刘智通过设计UHN国际村项目指出:1)对于8度区高层建筑上的连体竖向地震占重力地震内力的20%,大于规范提出的10%的值;2)连体的加速度反应呈三角形分布,跨中较大。第2)点结论和张毅刚教授的研究定性上相符。石文龙针对大跨度连体和长悬臂的某多塔连体高层结构进行数值分析,该工程前三阶竖向振型的周期与场地卓越周期接近,连体部分和悬臂部分的结构内力响应较显著而竖向位移响应均较小。石洪林用有限元分析方法研究了竖向地震作用下连体建筑的振动反应,提出对称连体竖向振动振型也和水平振动一样,分为对称和反对称。为探索位于双塔高层建筑上连体结构的竖向地震作用的特有规律,文通过时程分析法考察了塔楼高度和连体跨度不同的多个算例。然后将其抽象成塔楼和连体桁架组成的两个自由度体系,运用频域分析方法,得到竖向地震作用变化规律。分析表明,随着桁架与塔楼频率比的增加,连体地震作用的放大效应越明显;当连体与塔楼质量比较小且两者频率相近时,连体地震反应进一步加强。现行抗震规范的重力系数法提出的大跨度结构竖向地震实用计算公式对文中研究结构并不完全适用。由此提出了考虑塔楼和桁架协同的地震作用实用算式,并对一个超高层工程实例进行了竖向地震作用分析,与时程分析结果吻合较好。3.4天桥消能减振系统应用研究竖向振动控制主要分隔震和消能减振两大类。YasushiTakei等利用较软的橡胶叠层隔振垫对位于轨道上方的建筑在层间隔震,经数值计算和试验证实效果良好。丁幼亮等对某大跨人行天桥安装消能减振装置,包括TMD和粘滞阻尼器两部分。分析表明,采用消能减振设计可有效地削减天桥的共振反应。朱鸣等在60m跨度楼盖中采用了多点TMD-粘滞流体阻尼器消能减振系统,试验结果与理论计算表明,该系统对于大跨度楼盖竖向振动舒适度的改善具有一定效果。肖艳平认为MTMD对桥梁竖向振动的减振效果更明显,且更适用于工程实践。4现代高层建筑截面形式的变化风荷载是高层建筑的主要水平荷载,其合理取值对于结构设计具有重要意义。现代高层建筑力求新颖独特,截面形式变化各异;同时城市的发展必将产生密集的建筑群,相邻建筑物的气动干扰使得高层建筑的风荷载比单体时复杂,因此需要考虑这种干扰作用。4.1高层建筑风荷载特性国内外对双塔或多塔风荷载分布的研究大多数是针对具体工程风洞试验得到的结果[81,82,83,84,85,86,87]。群体建筑风压的影响的变量包括建筑物外形、尺寸、个数、相对位置、风向角、风场和风速。一般受干扰严重的主要是下游建筑,下游建筑受干扰后,平均风荷载减少,呈现为遮挡效应。但同时上游建筑物的干扰又可能会增加下游建筑的脉动荷载。张相庭提出干扰增大系数并被荷载规范条文说明引用。谢壮宁教授系统研究了3个建筑物之间相互干扰关系。已有高层建筑的干扰效应研究多以正方形截面高层建筑为研究对象,另一方面,虽然单体情况研究所考虑的截面形式较多,但对于结构体型较为特别的连体高层建筑的风荷载特性研究的不多,见报道的双塔体型仅有D型、椭圆型,连体体型的工程有:北京西客站、上海交银大厦、广州信合广场。在风洞技术方面,目前主要方法有气动弹性模型、刚性模型多点同步测压和高频底座动态测力天平模型3种。显然,由于刚性连接连体结构振型的平扭耦合,用测力天平分别测量几个塔楼底部反力后,无法反推风压分布。故连体结构的风洞试验多采用刚性模型多点同步测压的方式,然后通过数据处理和结构动力学方面的运算得到表面风压及等效风振力。对于连体建筑的风荷载分布,目前比较可靠的方法是气动弹性试验,或刚性模型同步测压试验。文通过风洞试验刚性模型,研究了截面为切角曲边三角形的连体双塔高层建筑的风荷载特性,并与单塔试验作比较。将风压沿截面进行积分求出沿坐标轴方向的合力,然后反算为沿坐标轴方向的整体体型系数。结果显示:风压沿高度变化不大,整体体型系数沿高度递减。单塔最大体型系数对应风向角比坐标轴偏15°。双塔连线方向(x向)体型系数上游塔略小于单塔情形,下游塔基本为零,y向的体型系数略小于单塔y向的,连体部分体型系数达2.2。根据规范和试验结果,提出了类似工程合理的取值建议。4.2风振系数和风致振动系数规范给出了以单塔第一振型为主的风振系数计算公式,对于多塔和连体,没有给出该公式是否适用的规定。张相庭教授对于单塔高层建筑,比较了规范采用的顺风向简化风振公式与考虑多振型的精确公式的误差。对高层建筑风振方面,Kasperski提出了计算荷载响应相关法方法(L.R.C.)用于计算风振力。Ji-YoungKim在LRC法基础上提出修正的LDRC法,考虑了共振部分。叶丰在风洞试验基础上,对高层建筑顺、横风向和扭转方向风致响应及静力等效风荷载进行系统研究,并提出简化实用计算方法。对连体风振研究方面,黄耀坤采用随机振动方法分析了连体两端橡胶垫连接时,橡胶垫参数变化对结构风振系数和风振加速度、位移响应的影响。其研究是基于满足准定常假定的风谱和相关系系数公式作为基本的输入。而对于连体或双塔这类群体建筑,准定常假定不一定满足。另外,作者假定顺风向风载和横风向风载完全不相关,且不考虑风的扭矩对建筑物响应的影响,这均与实际情况不相符。陈丰等根据随机理论公式,编制复杂体型高层建筑风振系数的分析软件,对于常规的高层建筑,风振分析软件计算的结果与规范风振系数的结果十分接近,而对特殊复杂高层建筑,两者的等效风荷载基底剪力或弯矩误差