（土木工程专业论文）巨型结构体系抗震性能分析方法及计算模型研究.pdf

摘要 摘要 巨型结构体系是近代经济发展和科技进步的产物 由于这类结构往往体量巨 大 形式复杂 而且体系内各类构件受力及重要程度存在明显的分级 使得结构 性能分析 特别是非线性性能分析的难度大大增加 精细的有限元计算模型可以 较准确地反映结构体系内各类构件间的受力 传力特性 但非线性分析所需的巨 大计算工作量使得该模型难以适用于工程应用 本文工作首先在已有的精细有限元模型基础上对结构的刚度 传力性能 受 力特点等做了计算分析 为模型的简化计算了相关数据 之后集中讨论了目前工 程界常用的几类模型建立的方法 比较了它们的优缺点 在深入理解各类模型的 理论知识的前提下 提出了简化模型的简化原则和简化方法 并就简化模型和原 有限元杆件模型做了比较 说明了简化的合理性和正确性 由于有限元模型本来 就以精细见长 对结构整体的性能分析上 往往过犹不及 当进行结构的时程分 析和推覆分析时 会暴露出计算时间长 占用存储空间大 甚至在普通的p c 机 上计算无法实现的缺点 所以 本文又探索了用最简单的层模型概念来建立能够 体现空间受力性能的空间层模型 仔细分析了各种建模技术的实现可能 在引入 了一些假定的基础上 提出了一种巨型结构空间层模型的建模方法 本文在模型简化的基础上 对结构进行了非线性时程分析和推覆分析 对结 构的抗震能力进行了评估 考察了推覆分析的在评价结构的动力性能上的有效性 和实用性 提出了一些改进建议 同时也用弹性反应谱和弹塑性反应谱两种情况 对所研究的结构进行了推覆计算 得出了相关结论 关键词 模型简化 a n s y s 有限元程序 p u s h o v e r 非线性静力分析方法 层 模型 杆件模型 弹塑性加速度反应谱 a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ti ns c i e n c ea n dt e c h n i q u e f e m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d h a sb e e nb e c o m i n ga l lo u t s t a n d i n gt o o li ns t r u c t u r ee n g i n e e r i n g t h i sm e t h o d w i t h t h ef e a t u r eo fl o wc o s t h i g he f f i c i e n c ya n df l e x i b l ep r a c t i c e c a ns o l v em a n y p r o b l e m sw h i c hc a n tb ee a s i l ys o l v e di ne x p e r i m e n t b a s e do nt h es t u d yb e f o r e t h i s d i s s e r t a t i o nc o n d u c t st h es t u d yi nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds e i s m i cr e s i s t a n c eo fa m e g as t r u c t u r e b a s e do nt h ef r a m e df e mm o d e l s t r u c t u r e s t i f f n e s s f o r c ec a l t y o v e r p e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t y c 埔s t u d i e dt og e td a t af o rm o d e lp r e d i g e s t i o n t h e n s i m p l i f i e dm o d e lw a sg e ta n dc o m p a r e dt oo r i g i n a lm o d e la f t e rs e v e r a lm o d e l p r e d i g e s t i o nm e t h o d sw e 亿i n t r o d u c e da n dc o m p a r e di na d v a n t a g e sa n dd e f e c t s a l s o s o m er a t i o n a l i t yw a sg o t t h o u g hf r a m e df e mm o d e ls h o wf m ep r e c i s i o ni nm o d e l a n a l y s i s i t sh i s t o r ya n a l y s i sa n dp u s h o v e ra n a l y s i sd o n tw o r kw e l l r e v e a l i n gt h e d e f e c t so f l o n gc a l c u l a t i o nt i m e h u g em e m o r ya n de v e nt h ew o r s ei m p l e m e n t a t i o n s os p a t i a ll a y e r e dm o d e lw a sg o tb a s e do ns i m p l e s tl a y e r e dm o d e lm e t h o d m o d e l i n g m e t h o d sw e r ca n a l y z e da n dp r o p e rm o d e l i n gm e t h o dw a si n t r o d u c e di nl a y e r e dm o d e l o f m e g a s t r u c t u r e b a s e do nt h es i m p l i f i e dm o d e l d y n a m i cp e r f o r m a n c e s t i f f n e s sa n a l y s i so f o r i g i n a l f r a m e dm o d e l s p t r aa n a l y s i so fs i m p l i f i e dm o d e l n o n l i n e a rh i s t o r y a n a l y s i sa n dp u s h o v e ra n a l y s i so fs p a t i a ll a y e r e dm o d e lw c r cc o n d u c t e dt og e ts o m e d a t a t h e s ea n a l y s i ss h o wt h es t r u c t u r ea b i l i t yo fd i f f e r e n ts e i s m i c r e s i s t a n c el e v e l t h i sd i s s e r t a t i o nf u r t h e rs t u d i e dt h ep u s h o v e r a n a l y s i s i t s v a l i d i t y a n d p r a c t i c a b i l i t yi ne v a l u a t i n gs t r u c t u r ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc o n c l u d e ds o m e i m p r o v e m e n tw a y a l s o e l a s t i cs p e c t r aa n de l a s t i c p l a s t i cs p e c t r aw e r eu s e di l l p u s h o v e ra n a l y s i sw i t hs o m ec o n c l u s i o n si n t r o d u c e d k e y w o r d s m o d e lp r e d i g e s t i o n a n s y sf e ma n a l y s i s p u s h o v e r a n a l y s i s n o n l i n e a rs t a t i c a n a l y s i s l a y e r e dm o d e l f r a m e dm o d e l e l a s t i c p l a s t i c a c c e l e r a t i o ns p e c t r a l j 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及 提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构 送交论文的复印锌和电子版 在不以赢利为目的的前提下 学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用下学术活动 学位论文作者签名 静矛参逅 泸噼6 月 日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在拶年解密后适用 本授权书 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原刨性声明的法律责任 由本人承担 签名 旋彳岛改 t f 年6 月 o 日 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 1 1 巨型结构体系的特点及发展历史简要 1 1 1 巨邀结构的发展历史 巨型结构体系是近代经济发展和科学技术进步的产物0 1 1 它产生于上世纪 六十年代末 由梁式换层结构发展而形成 又被称为超级结构体系 是由巨 型的构件组成的简单而巨型的桁架或框架等0 1 1 9 6 8 年 在美国的芝加哥建成 了1 0 0 层约翰收考克大厦 它是最早采用巨型桁架简体的建筑 高度达3 4 4 m 用钢量仅1 4 5 k g m 2 之后相继建成了匹茨堡的美国钢铁大厦 1 9 6 9 年 美 国明尼苏达州联邦储备银行大厦 1 9 7 3 年 等一系列巨型结构的建筑 在过去 的十几年问 巨型结构的高层建筑相继出现 高度不断被刷新 1 9 7 4 年 美国 芝加哥建成了当时最高的西尔斯大厦 11 0 层 高4 4 3 该大楼保持世界最高 纪录达2 4 年之久 之后 在1 9 9 6 年 该高度被4 5 2 m 高的双塔楼组成的马来 西亚吉隆坡市的皮特罗纳斯大厦打破 最近 中国台湾建成了台北1 0 1 层 总 高5 0 8 m 建筑物最高点高4 4 8 m 是目前世界上名副其实的第一高楼 中国上 海在建环球金融中心离4 9 2 m 届时 2 0 0 7 年完工 有可能替代台北1 0 1 成 为世界最高楼 所以有人称第一高度的变化是五年一梦世界殊 世界上还有很 多国家在酝酿着5 0 0 m 高度的突破 如美国的纽约电视城大厦 拟高5 0 9 m 日 本的空中城市 拟高1 0 0 0 m 在这些超高层建筑的建设中 巨型结构体系成为 时代发展的主流 我国超高层建筑近年来有了较大的发展 不仅数量迅速增加 而且层数和 高度都有新的突破 国内的较早的巨型结构的建筑是上海证券大厦 比较著名 的是1 9 9 8 年建成的上海金茂大厦 9 2 层 3 7 0 i n 是当时的世界第三高度 目 前动工兴建的上海环球金融中心则把高度提到了4 9 2 m 拟于2 0 0 7 年完工 届 时将有望成为世界新地标 1 1 2 巨型结构体系的结构体系及特点 巨型结构体系一般可按其主要抗侧力体系的不同而分类一般可分为巨型桁 架 包括简体 和巨型框架 悬挂结构 分离式简体 两大基本类型 1 由上述 两大基本类型和其他常规结构体系组合还有其他许多性能优越的巨型结构体 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 系 1 1 2 1 巨型桁架体系 桁架体系一般沿外框简四面设置巨型斜撑 此时 当结构在水平力作用下 发生弯曲时 本由腹板和翼缘框架中的窗裙梁承受的竖向剪力将大部分由支撑 来承担 减少了剪力滞后效应 在巨型桁架体系中 还将抗推构件由通常的中 心布置转向沿房屋周边布置 以加强抗扭刚度 同时由立体构件取代了平面构件 提高了抗侧力体系的效率 结构布置中又常使抗侧力构件与承重构件合而为一 有效防止了竖向构件出现过大拉力 这样桁架体系的外框筒基本上变成了稀柱 浅梁型 1 构件受力以轴力为主 接近桁架受力特性 这是巨型桁架体系的一 大特点 巨型桁架结构实例 美国芝加哥市1 9 7 0 年建成的汉考克大厦就是 钢结构巨型桁架体系 它的支撑框筒是由主结构和 次结构两部分组成 主结构包括角柱 支撑斜杆和 主楼层的窗裙梁 巨型钢桁架粱 所构成的桁架筒 一般桁架的一个结间高度设一个主楼层 次结构 包括中间柱和处于主楼层之间的各层窗裙梁 支撑 于主结构上 并将重力荷载传至主结构 主结构具 有极大的抗侧刚度 承担所有的水平力和次结构传 来的竖向荷载 该大厦在材料用量上创下奇迹 平 均用钢量仅为1 4 6kg m 2 即约为传统做法3 5 层 的平均用钢量 具有极好的经济指标 香港中国银 行大厦也采用了钢混凝土混合结构巨型桁架体系 它将楼层重力荷载通过小钢柱向支撑角柱传递 避 免角柱在水平荷载引起的倾覆力矩作用下出现的 拉应力 结构上 将起抵抗倾覆力矩作用的型钢混 凝土柱布置在平面的4 个角上 从而在抵抗任何方 图1 1 汉考克大厦 向的水平力时均具有最大的力臂 图1 1 1 1 2 2 巨型框架 包括筒体 悬挂 体系 巨型框架是在巨型梁巨型柱构成的主框架中嵌套次框架的结构形式 其中 的主框架可以形象地比喻为按比例放大的框架 与普通框架的最大区别就是巨 型框架明确的分为主次结构 主结构的大梁刚度很大 可以看成刚臂 它把两 边的巨型大柱连在一起 成为一整体 共同抵抗水平荷载作用 具有极大的抗侧 2 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 刚度 可有效地控制结构侧移 是主要抗侧力体系 次结构负责将竖向荷载传 给主结构 只起辅助作用和大震下的耗能作用 巨型框架结构体系又可因其主 次结构的具体实现方法的不同而分为纯钢结构巨型框架 钢筋混凝土巨型框架 钢筋混凝土巨型框筒 次结构为悬挂体系的巨型框架结构 圆锥形或环形巨型 框架结构 超级巨型框架结构 巨型框架结构实例 深圳新华大厦 3 5 层 采用的是巨型框筒 结构 其平面采用正方 形 主体结构由芯筒和 外圈巨型框架组成 芯 筒平面为矩形 内设4 道横隔墙和2 道纵隔 墙 楼层平面的外圈为 钢筋混凝土巨型框架 平面四角设有4 根大 截面双肢柱作为四边 主框架的角柱 沿楼房 高度从下到上分别每 隔3 层 9 层 1 0 层设 a 站拘半l n f j 缔构啦蜥 置预应力混凝士大截 图1 2 深圳新华大厦 面巨型梁 与4 根角柱一起构成主框架 在主框架的各层大梁之间设置3 1 0 层 楼高的的较小截面次框架 图1 2 1 1 3 巨型结构体系研究的特殊性 巨型结构是一种新型的结构形式 构件的巨型化和结构的综合化使得这种 结构变得巨大而复杂 其受力性能 抗震机理 结构的设计计算都与一般结构 有了很大的不同 呈现如这一结构体系所独有的特点 1 1 3 1 巨型结构的计算模型要有蕲的突破 巨型结构是一个与常见结构完全不同 它明显地分为主 次结构 从受力 角度上与一般结构又也很大的差别 已有的 些计算模型都不能很好的描述 难以适用 用有限元法中的杆系模型来建模 会因为结构复杂 构件众多 而 使计算困难 用层模型建模 计算虽然简单 但是又不能考虑结构的空间特性 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 计算过于粗糙 更有一些构件则是模拟困难 象支撑桁架在考虑支撑屈曲引起 的承载力降低时的数值分析的模拟 楼板的模拟 也与一般的框架结构有很 大差异 主要是其内部次结构的墙和柱均很少 楼板在结构整体中的作用与一 般结构相比差别很大 用目前已有的剪切杆模型 刚性楼板模型和弹性力学剪 切板模型对其模拟都会显得过于粗糙呻1 所以现在很多巨型结构的设计计算都 做了相当大的假定 结构的设计都相当保守 计算理论的不成熟 使得设计难 度很大 借助模型试验进行结构的检验分析成为结构设计的必要补充 1 1 3 2 巨型结构的非线性问置突出 巨型结构体系一般都是超高层建筑 虽然采用了巨型构件 但结构还是相对 较柔 顶点侧移比较大 结构高柔化是其一大特点 二阶效应作用明显 结构 的荷载与变形关系中 非线性因素不可忽略n 1 1 3 3 巨委 结构的抗震设计穰藏震设计遗遇新的难麓 超高层巨型结构趋向于高柔化 风振和地震作用对结构反应起明显的控制作 用 而且形体复杂 明确分为主次两级承力结构 主结构是主要的抗侧力体系 地震作用下 主结构常先于次结构进入塑性状态 结构抗震设计的多层设防思 想的实现异常困难 是否要进行新的抗震设防思想的探索 有待深入探讨 由 于巨型结构一般都是高耸结构 风振和地震作用非常显著 振动控制方法需要 有进一步的研究 对巨型结构的抗风和抗震设计方法不能套用现成规范 1 1 3 4 巨型结构的节点受力复杂化 巨型结构中 粱柱交点重合部分尺寸大 构件交汇集中 巨梁 巨柱与巨型 斜撑常常交汇于同一节点 受力复杂 且对结构的整体受力性能影响巨大 是 结构的关键部位 巨型结构中 节点区域大 与一般的框架节点有很大区别 尺寸效应明显 节点区域容易出现应力集中现象 对节点的研究要以塑性理论 为依据 并把理论研究和试验结果相结合 改善节点性能的研究在设计中显 得尤为重要 l 1 3 5 巨型结构中次结构影响灵活多变 巨型结构体系的主次结构受力区别明显 主结构是主要承力杆件 而次结 构则构件众多 布置灵活 使结构复杂性又添新的变数 次结构成为计算工作 加大的主要原因 是结构复杂化的重要表现 合理考虑次结构对结构整体的影 响 简化次结构的结构形式 有利于设计计算 是结构优化的主要对象 对次 结构的耗能和阻尼效应的应用变得非常重要 有学者对次结构对结构整体刚度 的贡献做了研究 4 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 1 1 3 6 巨型结构在地震力作用下的计算评估需要新的理论探索 设计经验表明 结构的计算周期和刚度分别按空间和平面计算时 结果差 别很大 结构的周期和刚度的计算常常时不很准确的 而且在罕遇大震作用下 使结构不破坏也是不切实际的想法 对抗震设计中第三阶段的设计主要是采用 构造处理 以加强薄弱部位 另外 相同烈度的不同的地震作用下 结构的反 应差别也很大 所以抗震设计的一个主要的任务是反映地震反应过程中结构的 内力和变形状态 给出结构的开裂和屈服的顺序 发现应力和塑性变形集中的 部位 最终判明结构的屈服机制 薄弱环节及可能的破坏类型 目前对结构抗 震分析常用的方法中 底部剪力法和反应谱计算方法都不够精确 弹塑性时程 分析方法则分析技术复杂 计算耗时 计算工作量大 结果处理繁杂 在理论 上也还有很多问题 如输入地震动及构件恢复力模型的不确定性等 实际应用 中 都不尽理想 所以 目前国内外开始关注静力弹塑性分析方法 p u s h o v e r 方法 1 1 3 7 多次地震作用下的攮伤囊积方法的研究需要重视 在一次地震中受损的结构如果再经历若干次地震 如余震序列等 就很可能 会倒塌 在1 9 8 7 年美国加州w h i t t i e r n a r r o w s 地震中就发生过多起 1 9 9 4 年美国n o f f j a t i d g o 地震和1 9 9 5 年日本阪神地震 充分说明了考虑多次地震乃 至多因素作用 如地震 火灾 强风等 下的结构损伤累积的研究 才能真正地 保证结构的安全性和耐久性 巨型结构一般都采用型钢骨架 而且体形巨大 地位重要 安全性和耐久性不可忽视 9 1 l 事件则更是为我们敲响了警钟 1 2 国内研究现状 国内目前对巨型结构的相关研究工作汇总与分类情况如图1 3 所示 从列 表中可以看出 其研究内容基本上覆盖了结构的各个方面 但研究的数量和深 入程度有所不同 目前的研究主要集中于抗震性能和减震原理的分析上 3 对巨型框架悬挂体系和框架体系的抗震性能和减震分析相对比较深入 东南大 学土木工程学院对巨型框架的多功能减震做了多方面的研究分析 比如蓝宗建 教授就巨型框架多功能减振结构体系的工作原理和优化分析方法做了详尽的介 绍 并通过理论分析和一巨型框架的振动台试验 研究了巨型框架多功能减振结 构体系在地震和风荷载作用下的减振效果 他们还对巨型框架结构的地震 反应做了研究 重庆建筑大学的袁政强等人还研究了悬挂体系中 次结构对 结构最大周期和动力时程分析的影响 1 在有限元方面既有理论的推导 也有实 际结构的数值模拟 理论推导方面主要集中在对粱柱的等效剐度以及恢复力等 5 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 效方法的研究介绍上啪 也有些学者把理论研究与实际工程相结合 做了结构 的数值模拟分析 如同济大学的王肇民教授以一结构方案为算例 建立了高层巨 型框架悬挂结构体系的分析模型 并以此研究了巨型框架静动力特性及其参数 影响规律跚1 最近还有同济大学结构工程与防灾研究所结合上海环球金融中心 图1 3 国内有关巨型结构研究工作汇总与分类 项目 采用有限元通用结构分析软件a n s y s 对整体结构的抗震性能进行了数值 模拟分析 并分别进行了关键节点的性能试验和整体结构模型的振动台试验 试验研究和设计计算方面是相对较少的 目前的资料表明节点试验方面仅有清 华大学做过局部深入的研究 方鄂华教授等通过对两个钢筋混凝土巨型框架梁 柱节点的试验 研究了节点区不开洞 梁端破坏的梁柱节点的破坏过程 破坏形 态和受力性能 并用多种分析方法建立了巨粱整体受弯承载力的计算方法 内容 仅涉及粱柱节点 东南大学对巨型框架体系的抗震性能进行过振动台试验 研究 最近同济大学也做了环球金融中心的模型试验研究 在设计计算方面 唐兴容教授提出了巨型框架结构的计算方法 通过将剪力墙和巨型框架合并 成为一个组合刚架 求其梁端力 再转化为组合悬臂杆 其作用有如框架剪力墙 6 第1 章巨型结构体系特点及研究现状 结构中的剪力墙 再将平面框架则视为此组合悬臂杆的弹性地基 以此求得框 架 剪力墙 巨型框架结构体系在水平荷载作用下共同工作时内力和位移 东南大学的惠卓等人针对目前我国及世界上巨型结构设计缺少相应的设计规范 或规程 只有少量结合所建造工程提出的一些设计注意事项的现状 对巨型结构 的设计总则和内力计算等方面做了阐述 由于巨型结构呈现高柔化 二阶效应 显著 已有学者对此进行探讨 如郑廷银教授采用连续化概念和刚度等效原则 获得巨型钢框架结构的等效模型 并在此基础上 用一列假想的承担各楼层竖向 荷载的刚性杆与其并联 获得该结构的二阶筒化计算模型 提出了巨型钢框架 结构二阶位移的实用算法 1 3 本文研究内容 本文研究内容主要包括以下几部分 1 在简要回顾原型结构体系的发展历史 结构特点的基础上 对原型结 构体系性能研究中涉及的特殊问题进行了总结归纳 2 以上海环球金融中心结构有限元精细计算模型为基础 对巨型结构体 系中各级 各类构件对结构整体的刚度 传力性能等细节进行分析 深入了解 各级次结构中的内力分布情况以及力的传递特点 3 提出一种模型的简化原则 对有限元精细模型进行了合理简化 形成 总自由度极大凝聚的简化模型 作为进一步非线性静 动力分析的计算模型 4 利用所建立的简化计算模型进行动力非线性响应计算 5 在简化计算模型的基础上 使用a n s y s 软件进行了结构的静力非线性 分析 并采用能力谱方法对非线性分析做了评价 在非线性分析中 建立了构 件的恢复力模型 并对结构施加了相当于罕遇地震荷载作用的加速度 获得相 应的计算结果 并将结构基底剪力一顶点位移曲线转化为相应的等效单自由度 体系的加速度一位移曲线 然后根据规范中的弹性加速度设计反应谱 选用不 同的延性系数建立对应的弹性 弹塑性需求谱 使用能力谱法对结构的抗震性 能做了分析 7 第2 章有限元计算模型 2 1 结构介绍 第2 章有限元计算模型简介 建设中的上海环球金融中心位于浦东陆家嘴金融贸易区 其建筑设计单位是 在超高层建筑方面享誉世界的纽约 f 设计事务 所 结构设计单位为美国l e r a 联合股份有限公 司 设计顾问单位为上海华东建筑设计研究l 竞有限 公司 总投资超过8 亿美元的上海环球金融中心为多 功能的摩天大楼 大楼地上1 0 1 层 地下3 层 主 楼建筑面积达2 5 万m 2 裙房约为3 3 万m 2 地下 室约为6 4 万以地面以上高度暂定为4 9 2 米 该 建筑建成时 将超越目前世界第一高楼 马来西 亚的皮特罗纳斯大厦 高度4 5 2 m 成为世界最高的 建筑物 该建筑从1 9 9 7 年扩初设计开始进行了多次的 调整 现建筑的主楼外貌如图2 1 所示 结构设 图2 1 环球金融中心立面效果 计以中国规范为主要依据 并以部分美国规范为 参考依据 主结构采用由巨型柱 巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结 构 钢筋混凝土核心筒结构和连接核心筒和巨型柱的伸臂钢桁架结构所组成的三 重结构体系 见图2 2 2 3 2 4 图2 2 巨型框架结构体系 第2 章有限元计算模型 2 1 1 基础 图2 3 核心筒结构体系图2 4 伸臂结构体系 该大楼的基础形式为桩筏基础 原设计方案的槛基础施工已于1 9 9 7 年1 0 月 到1 9 9 8 年7 月期间完成 新设计的大楼与原方案单位重量相仿 所以 仍然把 新大楼建造在现有的桩基之上 由于现有桩基的制约 新的结构方案采用了周边 剪力墙 交叉剪力墙和翼墙组成的传力体系 以求将核心筒剪力墙承受的荷载传 递到主楼的四角 2 1 2 主楼的抗铡力体系 为抵抗风和地震的侧向荷载 大楼同时采用以下三个结构体系 1 巨型柱 巨型斜撑和带状桁架构成的巨型结构 2 钢筋混凝土的核心筒 3 构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂桁架 以上三个体系共同承担了由风和地震引起的倾覆弯矩 前二个体系还承担了 由风和地震引起的剪力 2 1 3 巨型结构体系 巨型结构体系由位于建筑物各个角部的巨型柱 以及连接巨型柱之间的巨型 斜撑构成 巨型结构体系还承担了建筑物大部分的重力荷载 1 巨型柱 9 第2 章有限元计算模型 巨型柱为钢骨混凝土组合结构 钢骨截面将采用热轧型钢或焊接组合截面 庞大的巨型柱位于建筑物的四个角部 它们可以非常有效地抵抗来自风和地震的 侧向荷载 埋置于巨型柱中的钢结构能承受由巨型斜撑传来的荷载 再把这些荷载扩散 到巨型柱的钢筋混凝土部分 这些巨型柱还承受由带状桁架传来的反力 同时 这些巨型柱可承担至少1 0 层的钢结构 组合楼面及带状桁架等的自重荷载 2 巨型斜撑 巨型斜撑为钢管混凝土结构 其箱形截面由二块大型竖向翼缘板和两块水平 连接腹板组成 翼缘板将能承受节点处的所有设计荷载 可以简化了连接节点的 设计 箱形钢管中的混凝士增加了结构的刚度和阻尼 可有效防止构件中薄钢板 的屈曲 巨型斜撑除了抵御侧向荷载以外 还用于承受从周边柱子传来的重力荷 载 3 带状桁架 带状桁架位于每个避难设备层的四周 高度为一层楼高 带状桁架由焊接箱 形截面和热轧宽翼缘型钢组成 带状桁架将荷载从较小的周边柱子传递到巨型 柱 有利于减少了相邻柱之间垂直位移的差异 并为结构提供多重内力传递途径 4 混凝土核心筒体系 核心筒采用钢筋混凝土结构 既承担重力荷载 又承担由风和地震引起的部 分剪力和倾覆弯矩 混凝土核心筒的平面形状沿建筑物的高度有三次改变 见图 1 3 下部核心筒与中部核心筒的转换有3 层搭接 而中部核心筒与上部核心筒 的转换有2 层搭接 转换区核心筒的搭接有利于荷载的有效传递 5 伸臂桁架体系 伸臂桁架体系由巨型柱与混凝土核心筒角部之闻三层楼高的连接桁架构成 在设有伸臂桁架的楼层 核心筒的剪力墙中埋置了一道环状圈桁架 以提供伸臂 桁架所需要的后座跨 伸臂桁架和核心筒环状桁架由焊接截面钢结构组成 伸臂桁架体系把巨型柱与核心筒联合起来 从而减低核心简的倾覆力矩 伸 臂桁架体系亦可显著减低建筑物整体变形中的弯曲部分 另外 伸臂桁架可减少 核心简下桩基的荷重 2 1 4 楼面体系 对于标准层的楼面体系 采用了两种类型的钢承板组合楼面 即较薄的2 w 和较厚的3 w 楼面体系 设备层及其相邻上一层采用另一种较厚的钢承板楼面体 系 其总厚度为2 0 0 r a m 这些较厚的楼板可以改善设备层的隔音效果 标准的宾 馆层将使用2 0 0 r a m 厚的混凝土楼板 另外 在巨型结构的关键楼层 巨型斜撑中 l o 第2 章有限元计算模型 由重力荷载引起的内力很大 这些楼层的刚度需要特别加强 所以用平厚钢板代 替组合楼面中的压型钢板 楼层的主 次梁为组合截面或热轧型钢 2 1 5 主楼顶都 按照设计规划 围绕主楼顶部富有特色的圆形缺口 将安装一套观光轨道车 系统 此轨道车系统将由主楼顶部的空间支撑框架承载 这个空间支撑框架系统 的作用与帽带框架相似 主要用于把整个巨型结构组合在一起 支撑框架的几何 设计考虑了轨道车系统的空间限制 其大部分杆件均采用管状截面 观光车的轨 道可以安装在钢管构成的环形框架上 延伸到主楼顶部的钢管混凝土巨型斜撑 对这个空间支撑框架起重要作用 2 2 有限元计算模型 2 2 1 结构计算模墼的选用 动力时程分析模型 目前常用的有两类 一类是通常高层时程分析模型 如 层模型 杆系一层模型和杆系模型 还有一类是等效模型 1 层模型就是将结构视为一悬臂杆件 把楼层的的质量集中于一个质点 用每层的刚度 层刚度 表示结构的剐度 也称为层间模型 层模型自由度少 动力方程逐步积分耗机时少 但是有两个问题必须解决 1 结构的每个楼层都有很多构件 如何简化为综合的楼层刚度 2 如何从计算结果评价结构的安全性 层刚度的简化通常有三种处理方案 1 层间剪切型层模型 它通常用于横梁线刚度很大的框架结构中 结构 的侧向变形主要为层间剪切变形 形成的是剪切型的变形曲线 2 弯曲型层模型 在结构的的变形以弯曲型变形为主时 通常采用此模 型 3 剪弯型层模型 在框架一剪力墙结构中 或是在高层框架 框筒结构 中不能忽略柱轴向变形所造成的弯曲变形成分时 就必须采用剪弯型 层模型 该模型通常是底部呈弯曲型 而顶部呈剪切型变形 此外还有多串集中参数层模型等 不同层模型有不同的综合楼层刚度的计算 方法 按层模烈的分析结果 可以得到各层的位移 速度和加速度时程反应曲线 并由此可以得到沿结构竖向各层层位移包络线 层间位移包络线和层剪力包络线 等 通过对层模型的计算可以检验结构是否有薄弱层 校核层位移 层间位移是 第2 章有限元计算模型 否超出允许值 以及层剪力是否超过该层的承载力极限等 但是层模型计算无法 提供构件的内力和变形情况 对各种不同的结构体系 尤其是复杂体型的结构 由于对各层的屈服内力 屈服后的刚度和退化规律都无法提供参数 进行弹塑性 分析有一定困难m 2 杆系模型是以杆为基本单元 将高层建筑结构视为杆系体系 按照静力 计算的方法建立杆件单元的的刚度矩阵以及总刚度矩阵 其中的杆单元可以是等 截面杆 也可以是带刚域的杆件等 结构的质量集中于各节点 动力自由度数等 于结构节点线位移自由度数 也即既可以按平面结构的假定 每节点三自由度 进行空间协同工作分析计算 也可以按空间结构进行三维分析 每节点六自由 度 弹塑性杆件的计算模型可分为吉伯森 m e g i b e r s o n 的单分量模型 克拉 夫 r w c l o u g h 双分量模型和青山博之等的三分量模型 杆系模型可以较细致 的求得结构中各杆件 各部位的内力和变形状态 并且可以预测出地震过程中各 杆件进入开裂和屈服状态的先后次序 在确定杆件弹塑性单元刚度和结构总刚度 时 目前可以采用改进的吉伯森 m e g i b e r s o n 的单分量模型 仅需杆端塑性 转角一个状态参数就可以描述杆件及结构的弹塑性状态 使计算程序得到简化 旧 杆模型最大的优点就是单元刚度矩阵容易确定 可以计算得到每个节点的位 移内力加速度反应 工作细致 精确 只是工作量很大 对计算机的要求很高 3 杆系一层模型兼有层模型和杆系模型的优点 克服了它们它们中的某些 不足 它是高层建筑结构进行弹 塑性时程分析的一种有发展前途的计算模型 但是目前尚不成熟 且如果中间环节和前后处理不当 将会带来不可忽视的误差 邬 a 4 等效模型用合并或综合计算简图来进行分析计算 它常有两种等效方式 即单物理量等效模型和双物理量等效模型 单物理量等效模型的基本思路是 在 某种条件下 原结构与等效结构某物理量应该相等 这种模式只有在指定条件下 对等效的物理量才是准确的 对其他物理量通常都是近似值 双物理量等效模型 则以功能或双物理量等效为原则进行换算 考虑了功能在振动过程中二体系相 同 所以比较容易取得等效模型的振动响应与原结构相同 本文研究的结构体系存在明显的主次结构层次 巨型结构中巨型桁架梁层 的存在及其带来的结构竖向剐度突变 破坏了 糖胡芦串 模型和连续化模型所 倚赖的基本假定 用这两种模型分析所得的计算结果不能充分反应结构特点 以 往的经验表明 杆系模型是比较合适的计算模型 由于杆系模型本身的特点 它 通常能比较好的反应巨型结构的各项结构性能 用杆系模型建模时 要注意楼板 的处理 由于巨型结构内部次结构的墙和柱均很少 楼板在结构整体中的作用与 一般结构相比存在较大的差别 有研究表明目前已有的剪切杆模型 刚性楼板模 第2 章有限元计算模型 型和弹性力学剪切板模型均显得过于粗糙 板单元必须采用既能反应面内荷载 位移 又能反应面外荷载 变形的空间板壳单元 本结构采用计算较为精确的杆系模型建模 但是考虑到巨型结构的复杂性和 单元数量的巨大 用杆系有限元法进行空间弹塑性分析时 会因为计算机容量和 运算速度而受到限制 特别是用该模型做静力弹塑性分析时 问题将会非常突 出 所以在本文的第三章中对巨型框架的计算模型进行简化 提出了用层模型对 次结构进行简化的思想 并就简化模型的模态分析和时程分析结果与原杆系模型 的结果做了比较 验证了简化模型的合理性和简化原则 为了实现结构的非线性 分析 提出了空间层模型的概念 并用空间层模型做了结构的时程分析和推覆分 析 2 2 2 本结构计算模型的建撰说明 计算模型包括地面以上1 0 1 层结构 总高度4 9 2 米 取南北向为x 轴方向建 立总体坐标系 与x 轴成4 5 方向为次对角线方向 与x 轴方向成1 3 5 方向为主 对角线方向 考虑到巨型结构体系中各类构件对结构整体受力性能的影响作用各不相同 建立计算模型时采用了不同的处理方式 位于结构四周的四个巨型柱是构成该结 构的承重及抗侧力体系的主要构件 其横截面特征尺度高达5 0 m 比标准层层 高尺寸4 2 r a 还要大 远远超出了经典有限元粱柱单元的适用范围 所以在计算 模型中对4 1 层以下的巨型柱采用了实体单元 s o l i d 7 3 进行模拟 并在每层范 围内沿层高及横截面方向均进行了单元细分 以便能够精确的反应出构件的实际 刚度 结构在4 l 层以上 沿次对角线方向逐步内收 巨型柱的截面尺寸也逐渐 缩减 并在次对角线方向形成了两个分支 有限元计算模型根据结构的这种变化 特点 也做了相应的变化 四角臣型柱在4 1 4 3 层间用厚板壳单元进行过渡 然 后在4 3 层以上直接采用粱柱单元对构件进行模拟 但为了保证结构的精度 对 这些巨型柱构件位置上的梁柱单元进行了相对细密的划分 承担传递楼面荷载的 周边小柱及核心筒内的柱子 楼面梁 剪力墙洞口的连梁等均采用梁柱单元模拟 核心筒剪力墙也采用板壳单元进行模拟 有限元计算模型共有实体单元2 0 2 8 个 板壳单元2 4 9 0 3 个 梁柱单元3 2 3 7 6 个 总计单元数为5 9 3 0 7 个 计算节点数为 6 5 1 2 0 个 结构计算模型的总质量为3 5 5 3 3 0 吨 结构自重 恒载 5 0 活载 不包括地 下室顶板 第2 章有限元计算模型 2 3 各级构件相对雕度和传力特征分析讨论 2 3 1 结构的静力特性研究 2 3 1 1 竖向荷载作用下次结构的受力性能分析 在计算模型上施加竖向的惯性力 选择具有代表性的f l o o r 6 1 8 的一侧的三 根次柱 1 e f t l l e f t 2 l e f t 3 进行考察 所考察的子结构在计算模型中的结构布置 形式如图2 5 所示 1 2 1 0 塞8 嗵 稼6 4 2 1 图2 5f l o o r 6 1 8 次结构粱柱布置图 l f t 3 l t 2 柱编号 在计算结果中 计算周边的这三根次柱在楼层截面上的轴向力 并将这些内 力沿其竖向进行排列 计算结果见图2 6 2 8 图2 6 e f t l 轴力图 1 4 图2 7l e f t 2 轴力图 第2 章有限元计算模型 图2 8l e f t 3 轴力图 从以上三个次柱沿竖向轴力变化的情况可以看出 次柱在竖向荷载作用下 其轴力在两巨梁之间并不表现为单纯的渐增模式 而是在中部出现了明显的突 变 说明次柱在该部位受到了反向集中荷载作用 之后 则仍然保持平稳的渐增 状态 而且变化的斜率也大体为一近似相同的值 通过查看结构图可以看出 在 轴力突变部位是次柱和斜撑的交叉位置 说明 次结构的刚度变化和斜撑密切相 关 次结构的受力计算必须考虑到斜撑的辅助作用 次梁相对斜撑而言承受竖向荷载的能力则相对弱小 所以次结构的内力 基 本上遵循了如图2 9 的传力路径 楼板 次粱 卜次柱 卜巨型粱 il 斛撑 巨型结构 图2 9 次结构竖向荷载传力图 这从巨柱的轴向受力情况同样可以得到佐证 图2 1 0 可以看出 巨柱在两个 相邻巨梁之间的轴向正应力变化很小 而在两头 即跨越一个巨梁后 则轴向正 应力有比较明显的变化 第2 章有限元计算模型 图2 1 0 巨柱轴向 s z 正应力分布云图 2 3 1 2 水平荷载作用下次结构的受力分析 对结构f l o o r 9 1 1 即图2 5 中的4 6 标志处 的次梁上的各个节点施加了均 匀侧向荷载 考察该次结构中的三根次柱 即l e f t l l c f t 2 l c f t 3 其布置同图2 5 在每一个楼层位置处的截面剪力 见图2 1 卜2 1 3 可以发现 结构的水平荷载 大部分由本楼层梁和楼板来承受 对相邻楼层的影响不大 水平作用力对周围楼 层剪力的影响分布呈现交错震荡形状 离开巨柱较远的l e f t 2 号柱的震荡程度相 对较大 而靠近巨柱的l c f t l 号l c f t 3 号柱则相对平稳 见图2 1 4 图2 1 1l e f t l x 向剪力图图2 1 2l e f t 2 x 向剪力图 1 6 第2 章有限元计算模型 82468l o1 2 制i 聃 图2 1 3l e f t 3 一x 向剪力图 4 0 0 2 0 0 o d o i 2 o o 襄圳 算 一6 0 0 8 02 468i o1 2 糟跚 图2 1 4 次柱水平剪力分布图 2 3 1 3 楼板对结构整体翻度的贡献 为考察结构楼层对整体剐度的贡献 在计算模型上做如下的变动 对原结构 楼板的变形刚度缩小1 0 0 0 倍 即把楼板的弹性模量由3 e 1 0 改为3 e 7 结构的 几何模型仍然采用原计算模型 通过对两个模型的主对角线和次对角线施加相同 的沿竖向的水平均布荷载作用 并读取两个计算中同一组节点的层水平位移和层 间位移作比较分析 两种模型下的层水平位移曲线和层间水平位移曲线如下图2 1 5 2 1 9 所示 1 2 口 1 塞 2 2 彘豁差蓄1 脚值差值 图2 1 5 工况一层位移曲线比较图图2 1 6 工况一层位移值差图 色l k玑仉吨吨吨嚎咄吨吨 jn 口 v鼍 n 第2 章有限元计算模型 1 2 1 盔 犁 2 0 o 0 0 20 40 0 10 磨翻事擅 图2 1 7 工况二层位移睦线比较图 0 1 20 4 剧t 善差值 图2 1 8 工况二层位移值差图 0 1 02 0 o4 0 属翻 差值百分数 0 图2 1 9 工况二下层位移值差与原模型层位移值百分比图 说明 层位移差值百分数 原型层位移一简型层位移 原型层位移 1 0 0 对结构层位移差与原模型的层位移百分比的分析发现 位移百分比差值最大 值发生在底部第一个巨型梁 f l o o r 6 层间内 之后衰减迅速 到第二个巨型梁 层处 f l o o d 8 基本衰减完成 之后为平缓下降曲线 楼板对结构的变形曲线基 本没有影响 降低楼板刚度后 楼层变形曲线基本上按原有趋势变动 说明楼板 对加强结构的整体性的作用也很微弱 结构的受力特征主要的由主结构控制 结 构的层位移交形曲线呈现弯剪形状 但除首尾两处呈现剪切型外 占绝大部分的 中部呈现出弯曲变形形态 变形以弯曲变形为主 核心筒对抗侧能力的作用明显 另外 对两个方向的刚度变化比较发现 楼板对主对角方向的作用比对次对角方 向为大 在次对角方向 层间位移差值与原层位移百分比值最大值为3 4 8 最大值发生在底面第三层 到十层后 接近1 0 二十层后降到5 在2 方向 1 8 埔 憎 中卧章 q 批 帕 o 盔掣 第2 章有限元计算模型 层间位移差值与原层位移百分比值最大值为4 3 0 2 最大值发生在底面第四 层 到十层后 接近2 0 三十层后降到1 0 之后一直保留大约5 的比值 从数值上直观判断 楼板对底部六个楼层的结构刚度影响显著 高达4 5 但 由于结构底部变形数值本身就比较小 数值误差比较大 实际上并不能反映实际 影响程度 观察两模型的层间位移差的差值图 图2 2 0 可以看到 在两个巨型梁的 节点部分楼层的层间位移差表现为正值 而在巨型桁架梁附近 层间位移差却呈 现出逐渐减小 直到出现负值 这说明去处楼板使得次结构刚度明显减弱 相同 作用下巨型桁架梁所在楼层需要提供更大的抗力 楼板对次结构的楼层剐度影响 明显 耋 摹 o j q a j j 0 j口 l 呈阿霞謦差牲 图2 2 0 两模型的层间位移差的差值图 说明 层间位移差值 原型层间位移一简型层间位移 2 3 2 结构的模态分析 2 3 2 1 模态分析的理论和方法 模态分析用来确定结构的自振频率和振型 它是其他动力分析的基础 是瞬 态动力分析 谱分析的前奏 它还是反应谱和振型时程分析工况中的振型叠加的 基础 通过模态分析有利于了解结构的动力性能 本结构采用l a n c z o s 模