超高层巨型结构振动特性研究

巨型结构体系是适应超高层建筑发展趋势和特点的新型结构体系，目前国内外的理论研究成果还很少。随着工程应用的推广，进行巨型结构体系的研究，有其重要的理论价值和实际意义。结合101层上海环球金融中心大厦具体工程，进行了整体结构的振动台试验，并利用国际通用有限元软件ANSYS分析了超高层巨型结构体系的动力特性和影响因素，可供工程设计人员在结构选型和方案设计时参考。     

超高层建筑风荷载计算中的振型函数

在我国高层建筑建筑规范中关于风荷载计算中有一振型函数表达式Φ_z=tan(π(Z/H)~(0.7)/4),这一公式在计算风荷载中被广泛采用。作者在对金茂大厦风振位移的观测和研究中,发现该公式与实际观测的结果不符。本研究给出金茂大厦这样的超高层建筑物的实测振型函数表达式:给出与建筑规范不同的风荷载振型函数,供建筑界参考;积累超高层建筑风振振型函数样本,以便在规范中给出符合实际振型函数的表达式,提高风荷载计算精度,设计出既经济又抗强风的超高层建筑。     

最小剪力系数及其调整方法对超高层建筑地震响应的影响

超高层结构地震剪力响应由振型分解反应谱法得到的结果经常不能满足规定的最小剪力系数要求。为此,文章简述剪力系数的概念和调整方法,以具有不同剪力系数的两个模型对比分析结构弹性、弹塑性地震响应差异,探讨剪力系数对超高层结构地震响应的影响。以通过强度和刚度调整使最小剪力系数满足规范要求的两个模型,分析不同调整方法引起的结构响应的合理性。结果表明:满足最小剪力系数的结构的弹性基底剪力大、层间位移角较小,结构的弹塑性位移响应也较小,受力状态优于不满足最小剪力系数的结构,安全性得到了提高。结构弹性倾覆力矩需求和弹塑性基底剪力按刚度调整大于按强度调整;结构弹塑性最大顶点位移和层间位移角响应相差不大,但出现刚度大\,层间位移角也大的与抗震理论相悖的情况;在满足抗震要求的情况下,构件的受力状态则是按强度调整更优,构件截面更加经济合理。     

基于OpenSees的某超高层建筑结构地震响应分析研究

超高层已成为城市发展中的重要建筑型式,而超高层结构体系的抗震性能是当前重要的关注之一。以某实际工程为例,通过“基于性能”地震分析计算平台OpenSees,建立相应的复杂超高层建筑结构有限元模型,并通过基于现场微振动检测技术的动力特性参数识别验证所建立模型的合理可靠性。进而,开展地震作用下结构动力响应分析,主要从基底剪力、层间位移角、结构顶点位移以及损伤破坏等方面进行探讨。研究成果可为复杂超高层建筑结构的抗震设计提供技术支持。     

考虑玻璃结构的上海中心大厦幕墙大震弹塑性分析

常规的幕墙抗震设计,往往只考虑玻璃质量对幕墙整体的影响而忽略玻璃刚度,将玻璃结构转化为等效质量施加于幕墙支撑结构进行抗震分析。然而,当幕墙结构承受大震作用时,幕墙支撑结构已进入塑性状态,将产生较大变形,此时玻璃刚度将在一定程度上影响幕墙整体刚度。尤其是对于复杂的超高层幕墙结构,玻璃刚度对幕墙整体刚度的影响具有一定的未知性,需要深入研究。针对这一问题,本文依托上海中心大厦幕墙结构,研究了考虑玻璃结构的幕墙大震下的弹塑性响应,并将其与未考虑玻璃结构的响应进行对比分析。结果表明,玻璃结构对建筑主体结构影响较少,对幕墙结构层间位移角抑制明显,从而减少了支撑结构内力;对高楼层,加速度放大系数有一定抑制作用,但对低楼层,加速度放大系数抑制作用有限。     

新型混合结构体系在超高层建筑的应用研究

结合广州珠江新城西塔实际工程,对巨型钢管混凝土斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的新型混合结构体系进行了比例为1:50的微粒混凝土模型振动台试验及4根钢管混凝土柱X形相贯节点试验,探讨了体外预应力的施加对结构整体受力性能的影响。研究结果表明,结构模型在7度罕遇地震作用下基本可保持弹性,在8度罕遇地震作用后稍有损伤;交角对节点最终破坏形成区域及承载力影响较大,各节点的承载力均能满足设计要求;体外预应力的施加能有效地抵抗节点层平面内向外的推力,充分利用构件的受力性能。     

建筑变形后幕墙结构屈曲破坏临界荷载研究

为解决传统建筑沉降变形中存在的幕墙结构易发生变形、稳定性较差等问题,提出建筑沉降变形中幕墙结构屈曲稳定临界荷载的研究。选取框架玻璃幕墙作为研究对象,建立玻璃面板的有限元模型,分别从X、Y、Z三个方向对玻璃面板施加平动自由度约束力,进行幕墙结构屈曲稳定临界荷载的模拟;然后在建筑底部不同节点处设置竖向弹簧,通过调节弹簧刚度模拟建筑沉降变形的竖向作用力,在此基础上,采用能量法分别计算玻璃肋的应变势能、外力势能和弹性约束势能,根据势能驻值原理计算得出建筑沉降变形中幕墙结构屈曲稳定临界荷载;最后设置不同的玻璃肋参数,选取单一变化因素进行实验。实验结果表明:在不同玻璃肋跨度和截面厚度对比下,所提方法的计算结果较为准确,且所提方法的临界荷载计算耗时低于其他方法,具有较高的实际应用价值。     

超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

基于AR模型模拟超高层建筑的脉动风速时程

风荷载是超高层建筑设计的主要荷载之一,而且通过风振时域分析可以更全面地了解超高层建筑风振响应特性,更直观地反映超高层建筑风致振动控制的有效性。因此,本文使用线性滤波法即白噪声滤波法(white noise filtration method,WNFM)中的自回归(auto-regressive,AR)模型模拟超高层建筑的风速时程。首先,考虑超高层建筑风速时程的时间和空间相关性,导出了四阶AR模型的参数表达式。接着,基于AR模型模拟了一幢高度为200 m超高层建筑的风速时程。最后,通过比较模拟风速功率谱、模拟自相关函数和互相关函数与目标风速功率谱、目标自相关函数和互相关函数的吻合程度,验证基于AR模型模拟超高层建筑风速时程的可行性。     

高层框支剪力墙结构地震反应分析的超元法

西方嵩层框支剪力墙结构地震反应分析的超元法，即将每榀框支墙中的上部剪力墙和落地墙简化处理成等效柱，底部框架简化处理成等代柱，楼板视为深梁，将连续分布的质量离散化，建立二维空间结构的“串并联质点系”振动模型，采用超级单元进行结构的地震作用计算及内力分析，此法计算简便并适用于结构竖向变刚度和考虑楼板变形等情况。     

长周期地震动输入下大型建筑剪力墙振动台试验

为优化处于长周期地震动输入下的大型建筑剪力墙结构,进行了振动台试验。分析普通地震动与长周期地震动波的区别,证明了长周期地震波具有显著长周期分量的特性。将某一高层酒店剪力墙作为研究案例,设计模拟实验台的构建流程与传感器布局,将建筑模型缩尺比例设置为1∶10。选择CA波、RG波、EL波作为实验用地震波,从位移与结构周期、层间剪力与位移比、易损性以及损失评估等方面对大型建筑剪力墙的抗震性能进行了评估。振动台试验结果表明,在位移相同的情况下,长周期地震波下的建筑极限承载力最小;在经历CA波、RG波、EL波后,模型的自振周期均发生变化,而EL波作用下模型的自振周期始终比基本周期略长;不同地震波下,X、Y向层间剪力变化基本趋于一致;CA波、EL波作用下,X向位移比较为接近,而剪力墙Y向上位移比在三种地震波作用下具有较大差异性;在长周期地震波作用下,大型建筑剪力墙损伤最为严重。     

基于有限元法的土坯民房地震响应分析研究

基于有限元法研究了土坯民房的地震响应特征,提出了实施土坯民房震害防治的对策性建议。地震动由结构底部向上传播时,低频部分被墙体吸收,水平加速度逐渐增大,揭示了低破坏性地震动损伤土坯民房屋盖系统、高破坏性地震动损坏土坯民房承重构件,进而导致整体结构损毁的动力机制。砖柱（木柱）承重土坯民房的地震响应大于墙体承重土坯民房,后者最大剪应力集中在中间开间的横墙和纵墙的连接处,最大主应力集中在中间开间的横墙上;前者最大剪应力集中在横墙和柱的连接处,最大主应力集中在中间开间的柱体上部。由于2种结构类型土坯民房的薄弱环节有所不同,地震时的致灾原因亦存在差异。     

基于城市抗震弹塑性分析的我国主要城市建筑地震风险评估

全国尺度的城市建筑地震风险评估对城市防震减灾工作有着重要意义。本文根据全国人口普查和城市统计年鉴等给出的宏观指标建立城市建筑数据库,通过GEAR1方法(Global earthquake activity rate model 1)和第五代中国地震动参数区划图给出具体场地的地面运动强度,通过地面坡度与剪切波速的对应关系确定的场地类别来考虑地震动输入,采用城市抗震弹塑性分析方法建立建筑分析模型,通过地震经济损失风险指标和建筑严重破坏和倒塌风险作为风险评价指标,给出中国大陆主要城市建筑地震风险分布图。结果分析表明,本文方法可以基于可公开获取的数据预测全国不同城市的建筑震害风险;根据第五代地震动参数区划图给出的地面强度,地震经济损失高风险区主要是设防加速度0.3g以上地区;考虑城市人口、GDP因素后,中、东部城市因人口和财富密度较高,建筑地震风险增加明显;不同地震动选波对经济损失风险影响较小,而对倒塌风险影响较大。本文分析方法可以为城市建筑地震风险分析提供相关参考。     

景观建筑挡土墙优化设计后抗震性能的实验测试研究

目前的景观建筑设计中往往更注重建筑的景观性,而忽略了建筑的安全稳定性,导致景观建筑的整体抗震效果较差,在景观建筑设计中加入挡土墙设计可以有效提高其抗震性。为此,设计一种具有一定抗震性能的景观建筑挡土墙,利用建筑施工过程中保留的复合纤维材料、建筑垃圾以及纤维绳等作为土墙填充物,并加入具有一定抗拉能力的拉筋材料,以保持土墙内部的稳定性。考虑景观建筑通常注重外观视觉效果,使用"平改坡"设计,在墙体表面种植具有一定视觉冲击的植物,增加土墙自重,促进土墙整体结构的稳定性。分析挡土墙后面无限倾斜填土受力状态,选取菱形微小单元体作为研究对象,计算景观建筑的挡土墙土压力强度。实验证明,优化设计的景观建筑挡土墙结构可以有效增强景观建筑的整体抗震能力。     

基坑排桩对建筑抗震性的影响分析

以往对建筑抗震性影响因素的研究仅限于施工材料、技术手段等外部条件,忽略了基坑土体安全系数、基坑状态对建筑抗震性的影响,一定程度上削弱了建筑的抗震性能。本文从基坑排桩角度对建筑抗震性的影响展开分析,通过有限元强度折减法获取土体的安全系数与基坑状态的判断标准,在该标准下基于土体安全系数采用有限元强度折减法计算公式,获取各个土层计算参数。基于该参数使用ABAQUS有限元软件构建基坑排桩有限元分析模型(土体和桩体分别采用莫尔-库仑弹塑性模型和二维弹性模型)。实验采用所提分析方法,从基坑排桩排距、刚度两方面对建筑抗震性能进行分析。实验结果表明,当基坑排桩排距进行适当取值时,建筑抗震性越好;双排桩的刚度越大,建筑抗震性越好,且随着刚度的增加建筑抗震性能趋于平稳。     

Effect of Overstrength on the Seismic Behaviour of Multi-Storey Regularly Asymmetric Buildings

In past years, seismic response of asymmetric structures has been frequently analysed by means of single-storey models, because of their simplicity and low computational cost. However, it is widely believed that use of more realistic multi-storey models is needed in order to investigate effects of some system characteristics (such as overstrength, higher modes of vibration, etc.) that make behaviour of multi-storey schemes different from that of single-storey systems. This paper examines effects of the overstrength in element cross-sections on the seismic behaviour of multi-storey asymmetric buildings. It is shown that in actual buildings this characteristic, which is sometimes very variable both in plan and along the height of the building, may lead to distributions of ductility demands different from those expected according to the results from single-storey models. Consequently, torsional provisions, which aim at reducing ductility demands of single-storey asymmetric systems to those of the corresponding torsionally balanced systems, should be re-checked in light of the behaviour of realistic multi-storey buildings.