范重+孔相立
文章編號: 16732049(2014)02012612
收稿日期:20140411
摘要: 提出組合塔式結構的設計理念與基本形式,并對其受力機理進行了深入研究。組合塔式結構的基本特征是在塔樓之間設置多道連接桁架,形成由多個單塔與連接桁架構成的巨型結構,使結構的整體抗傾覆性能顯著提高。深入研究了連接桁架剛度對結構效能的影響,引入了組合塔式結構的整體彎矩系數(shù)。研究結果表明:與傳統(tǒng)的結構形式相比,組合塔式結構的抗側力效能顯著提高,可以大大突破單塔的高寬比限值,在現(xiàn)有建筑材料與施工技術條件下,能夠建造更高的超高層建筑,并成為未來超高層建筑發(fā)展的主要方向之一。
關鍵詞: 超高層建筑結構;組合塔式結構;連接桁架;力學模型;整體彎矩系數(shù)
中圖分類號:TU398.9 文獻標志碼:A
Study on Behavior of Bundled Tower Structure
FAN Zhong1, KONG Xiangli2
Abstract: Design concepts and basic forms of bundled tower structure were put forward, and the mechanical behaviors were deeply studied. The main feature of bundled tower structure was that multiple connecting trusses were arranged along vertical direction between adjacent towers, to form a giant structure composed of towers and connecting trusses, and its overturning resistance capacity was improved significantly. Based on the research of stiffness effect of connecting trusses, the overall moment coefficient was introduced to bundled tower structure. The study results show that the lateral force resistance behaviors of bundled tower structure are greatly improved compared with the conventional highrise structure system, and the aspect ratio limitation on single towers can be broken greatly. Super highrise buildings can be constructed much higher in condition of existing building material and construction technology using this structure system, which will become the main developing direction for super highrise buildings.
Key words: super highrise building structure; bundled tower structure; connecting truss; mechanical model; overall moment coefficient
0 引 言
近年來,隨著中國社會經(jīng)濟以及大型與超大型城市的迅速發(fā)展,土地資源日趨緊張,超高層建筑因其特有的地標性和很高的土地利用率逐漸成為主要的建筑形式之一。
連體結構以其獨特的建筑風格和視覺效果受到了建筑師的青睞,從20世紀的80年代開始在工程中得到廣泛應用,其中,多為在雙塔之間設置1道連接桁架而形成的連體結構。[HJ]根據(jù)連接桁架端部與塔樓的連接方式,又可以分為強連接與弱連接2種基本方式[1]。
近年來,雙塔連體結構已經(jīng)大量地應用于實際工程,如法國巴黎的新凱旋門[2]、日本大阪的梅田摩天大廈[3]、韓國首爾的“云朵”R4a[4]、上海的凱旋門大廈[5]、北京的中央電視臺新主樓[6]、蘇州的東方之門[7]等建筑為其典型代表。工程中,設計人員還因地制宜地在弱連接連體中采用了多種連接與隔震形式,如吉隆坡的石油雙塔[8]在空中廊道下部斜撐中設置了粘滯阻尼器;天津濱海新區(qū)的奈倫國貿[9]連體部分與塔樓之間采用滑動支座,并設置了防跌落裝置;北京當代MOMA[10]在連橋支座設置了液壓阻尼器,有效減小連橋支座受力,可以吸收地震作用能量,避免結構之間發(fā)生碰撞。
隨著連體結構在工程中應用的增加,中國學者對連體結構已經(jīng)進行了大量理論與試驗研究。文獻[11],[12]中研究了受一側荷載作用時連體的軸向剛度、抗彎剛度和位置對雙塔連體結構受力性能的影響。文獻[13]中以連體與塔樓的抗彎剛度與荷載作用為變化參數(shù),研究了結構位移和內力的變化規(guī)律。
文獻[14]中將塔樓每個樓層凝聚為2個平動和1個轉動自由度,給出地面水平運動下的無阻尼自由振動方程,推導證明雙塔結構共有5種基本振型,其中有3種對稱的基本振型的振型參與系數(shù)為0,對結構的響應沒有貢獻。文獻[15]中連體剛度變化對非對稱連體結構地震響應影響的研究結果表明,連體剛度對非對稱連體結構各階振型及地震響應均有很大影響,當連體剛度較大時,塔樓內力在連體相鄰樓層部位發(fā)生突變。
組合塔式結構是指在2個或多個塔樓之間設置多個強連接桁架,使各塔樓協(xié)同變形以提高結構的整體側向剛度,為超高層建筑向更高的方向發(fā)展提供了巨大的空間。
目前,一定意義上的組合塔式結構已經(jīng)實現(xiàn)了部分工程應用,如位于上海市陸家嘴金融開發(fā)區(qū)的交銀金融大廈[5]和位于江蘇省江陰市由周邊3棟圓形塔樓與中央72層主塔樓組成的空中華西村[16]等。真正將組合塔式結構理念應用于設計的實際工程是位于北京市奧林匹克公園內的奧運瞭望塔[17],它由5個不同高度的單塔組成,建筑高度為246.8 m,每個單塔均由圓柱狀塔身與頂部樹冠形的觀景大廳組成,沿高度方向共設置4道連接桁架將5個單塔連為一體,形成組合塔式結構。
迄今為止的連體結構主要基于建筑功能與建筑效果的需求,很少著眼于對結構側向剛度的貢獻。在已建成的帶有連體的高層建筑中,絕大部分均為弱連體結構。影響組合塔式結構受力性能的因素很多,如何確定最佳的連體位置、數(shù)量與剛度,對組合塔式結構的受力與變形性能、結構效率以及相關技術經(jīng)濟指標至關重要。
本文中筆者通過對組合塔式結構受力機理的分析,研究其特點與影響因素,通過變化參數(shù)研究組合塔式結構的效能,為這一新型結構體系的應用提供參考。
1 組合塔式結構的主要特點
1.1 超高層結構的高寬比限值
高層建筑的高寬比是結構側向剛度、整體穩(wěn)定性、承載能力與經(jīng)濟合理性的宏觀控制指標,可以總體上反映結構的抗傾覆能力、變形特點與使用舒適性。高寬比與設防烈度有關,根據(jù)中國《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[1]中的規(guī)定,抗震設防烈度為6度、7度時,框架核心筒結構的最大高寬比不宜大于7;抗震設防烈度為8度時,框架核心筒結構的最大高寬比不宜大于6。此外,隨著建筑高度的增加,風荷載逐漸增大,當建筑的高寬比超過上述限值時,風荷載有可能成為主要控制因素。為了在保持高寬比不至于過大的情況下達到更高的建筑高度,在各國已建或在建的超高層建筑中,經(jīng)常采用“下大上小”的立面形式,通過建筑立面分段內收、斜線內收或曲線內收等方式,減小上部結構的地震作用與風阻面積,如圖1(a)所示。目前,中國單塔樓超高層建筑的最大結構高度在600 m左右,其下部的結構寬度已經(jīng)接近或超過70 m。
對于超高層建筑,結構的高寬比與側向剛度已經(jīng)成為主要的制約因素,僅靠增大構件截面尺寸將導致大量材料的消耗與有效使用空間的減小,此外,結構自重的增加還將導致地震作用的增大。因此,有必要研究新型的結構體系,以適應未來建筑向更高方向發(fā)展的需求。
組合塔式結構是一種全新的超高層建筑結構體系,其建筑立面如圖1(b)所示。與傳統(tǒng)超高層結構體系相比,組合塔式結構具有如下主要特點:
]圖1 超高層建筑立面
Fig.1 Elevations of Super Highrise Buildings
(1)各獨立單塔通過多道連接桁架形成巨型結構,極大增強了結構的整體抗傾覆能力。
(2)有效提高結構的側向剛度,可大大突破傳統(tǒng)單塔結構高寬比限值,在現(xiàn)有建筑材料與施工技術條件下,可以建造更高的超高層建筑。
(3)樓層平面由多個單塔平面組成,每個單塔均具有良好的采光、通風條件,這樣使居住品質得到大大改善。
(4)組合塔式結構的連接桁架可以作為各塔樓之間的聯(lián)絡通道與公共空間使用。
1.2 組合塔式結構的基本形式
組合塔式結構可以根據(jù)單塔樓的數(shù)量,將組合塔式結構分為雙塔組合、三塔組合、四塔組合等多種形式;根據(jù)連接桁架的數(shù)量,可分為2道連體、3道連體或多道連體等情況。工程設計過程中,應結合建筑使用功能與結構的合理性,最終確定建筑形態(tài)。典型組合塔式結構的平面與立面布置如圖2所示。
圖2 典型組合塔式結構平面與立面布置
Fig.2 Plane and Elevation Layout for Typical Bundled Tower Structures
由于組合塔式結構通過在單塔之間設置多道連接桁架進行“強連接”,其實質上是一種巨型結構,連接桁架作為巨型梁,各單塔為巨型柱。
設置連接桁架對于提高結構的側向剛度效果非常顯著,它的主要作用如下:
(1)通過桁架連接各個單塔,強制其變形協(xié)調,它的作用相當于水平剛性隔板。
(2)連接桁架具有較大的抗彎剛度,連接桁架與塔樓形成巨型結構,可以顯著改變懸臂形單塔的側向變形形態(tài)。
(3)在水平力作用下各連接桁架的剪力之和,在單塔之間形成力偶,其抗傾覆效能比單塔顯著增大。
2 組合塔式結構的變形特性
2.1 單塔的變形分析與等效剛度
超高層結構通常由多重抗側力體系構成,水平變形與結構形式、結構的平面和豎向布置相關,水平荷載作用下單塔樓的側移曲線通常呈彎剪型。
在組合塔式結構中,連接桁架將塔樓劃分為若干個彼此串聯(lián)的塔段,各塔段可視為懸臂柱,其側向變形特點如圖3所示,其中,P為作用于等效懸壁柱自由端的水平集中力,θ為轉角,Δ,ΔM,ΔV分別為塔段在水平荷載作用下的總側向變形、彎曲變形與剪切變形。在水平荷載作用下,塔段的總側向變形由彎曲變形與剪切變形2個部分組成,即
圖3 等效懸臂柱變形分析
Fig.3 Deformation Analysis of Equivalent Cantilever Column
Δ=ΔM+ΔV
(1)
彎曲變形由傾覆力矩引起,結構整體轉動;剪切變形由水平剪力引起,無豎向拉壓變形。
在塔樓各塔段的頂部施加集中荷載Fh(huán)(圖4),可以計算出各塔段的相對水平側移、連接桁架上下弦對
]圖4 塔段等效剛度計算簡圖
Fig.4 Equivalent Stiffness Calculation Diagram of Tower Segment
應塔樓樓層形心連線的轉角,然后按下式計算各塔段的等效剛度,即
EIi=(1 2QiH2i+MiHi)/(θi-θi+1)i=0,1,2…,n
(2)
GAi=QiHi/(Δi-Hiθi+1-QiH3i 3EIi-MiH2i 2EIi)i=0,1,2…,n
(3)
式中:EIi為第i塔段的等效抗彎剛度;
GAi為第i塔段的等效剪切剛度;
Qi為第i塔段的剪力;
Mi為第i塔段的頂部彎矩;
θi為第i塔段連接桁架上下弦對應塔樓樓層形心連線的轉角,θn+1=0;
Δi為第i塔段的相對水平位移;
Hi為第i塔段的高度。
上述等效剛度可以反映多重抗側力體系協(xié)同工作等因素對組合塔式結構的影響。塔樓各塔段的等效軸向剛度EAi為該塔段各層豎向剛度的加權平均值,即
EAi=EAjhj Hi
(4)
式中:hj為第j塔段各層的層高;EAj為第j塔段各層的等效豎向剛度,斜腹桿按其傾角進行折算。
2.2 連接桁架的等效剛度
在進行連接桁架等效剛度計算時,將連接桁架視為一端固定、一端自由的水平懸臂梁,在懸臂端施加豎向集中力Fv,計算出自由端的豎向位移和轉角后,按下式計算其等效剛度
EIb=FvL2 2θb
(5)
GAb=FvL/(Δb-FL3 3EIb)
(6)
式中:EIb為連接桁架的等效抗彎剛度;
GAb為連接桁架的等效剪切剛度;
θb為連接桁架自由端的轉角;
Δb為連接桁架自由端的豎向位移;
L為連接桁架的凈跨。
連接桁架的等效軸向剛度為全部構件水平剛度之和,其中斜腹桿按其傾角進行折算。另外,還應根據(jù)其凈跨與塔樓形心距之間的比例進行如式(7)所示的調整
EAb=B LEAj
(7)
式中:B為相鄰塔樓形心之間的距離。
3 組合塔式結構的力學模型
3.1 基本假定
本文中將組合塔式結構簡化為巨型框架,并采用如下假定:
(1)不考慮塔樓的整體軸向變形。
(2)連接桁架端部與塔樓重疊的部分按照剛域考慮。
(3)不考慮裙房的影響,將首層地面作為結構的嵌固端。
組合塔式結構的簡化模型如圖5(a)所示。當各塔樓的剛度對稱時,可以將結構進一步簡化為如圖5(b)所示的半跨模型。圖5中,b,b1,b2分別為相應塔樓形心軸至連接桁架端部的距離,w為倒三角形荷載,q為均布荷載。
在圖5(b)所示的簡化模型中,各塔段均為剪力靜定桿,因此,若忽略塔樓的軸向變形,則該模型可以繼續(xù)分解為彎曲模型和剪切模型,如圖6所示,其中,E[AKI~]bi為考慮剛域與剪切變形時第i道連接桁架的等效抗彎剛度。
圖6(a)力學模型中的橫梁為帶剛域的剪彎桿,圖6(b)力學模型中的橫梁為等效的無剛域彎曲桿,兩者抗彎剛度相等。通常情況下,超高層建筑在水平荷載作用下樓層兩端的豎向位移差相對較小,可以忽略不計。因此,在計算如圖7(a)所示帶剛域剪彎桿的桿端彎矩時,可以忽略剛域端部豎向位移對桿端彎矩的貢獻,桿端彎矩Mi與轉角θ關系由下式進行計算
Mi=3 1+12αbiibiθ+3 1+12αbiibi L/2bθ=
3 1+12αbi[SX(C]b+L/2 L2/4EIbiθ
(8)
式中:αbi為第i道連接桁架的抗彎剛度與抗剪剛度的比例,αbi=EIbi GAbiL2。
圖7(b)中彎曲桿的桿端彎矩Mi由下式確定
Mi=3 b+L/2Ebiθ
(9)
[CM(20]聯(lián)立式(8),(9),可以得到第i道連接桁架考慮[CM)]
]圖5 組合塔式結構的力學模型
Fig.5 Mechanical Models for Bundled Tower Structures
圖6 對稱組合塔式結構的力學模型
Fig.6 Mechanical Models for Symmetrical Bundled Tower Structures
圖7 連接桁架等效抗彎剛度計算簡圖
Fig.7 Equivalent Bending Stiffness Calculation Diagrams of Connecting Trusses
剛域與剪切變形的等效抗彎剛度E[AKI~]bi為
Ebi=(1+2b/L)2 1+12αbiEIbi
(10)
與上述力學模型對應,組合塔式結構的總側移也分解為2個部分,即
u=uM+uV
(11)
式中:u為結構的總側移;uM為結構的彎曲側移,由彎曲模型計算;uV為結構的剪切側移,由剪切模型計算。
在水平荷載作用下,結構剪切側移uV僅與塔樓的剪切剛度和水平荷載有關,與連接桁架的等效抗彎剛度E[AKI~]b無關。因此,筆者在討論連接桁架的結構效能時,僅考察彎曲側移uM。
3.2 彎曲模型的內力與位移
在如圖6(b)所示彎曲模型中,水平荷載作用下,連接桁架對塔樓將產(chǎn)生約束彎矩,因此,塔樓的彎矩等于單塔在水平荷載作用下產(chǎn)生的彎矩與連接桁架約束彎矩的疊加,如圖8所示。]圖8 彎曲模型的彎矩分解
Fig.8 Moment Disassembly of Bending Model
在頂部集中荷載、均布荷載、倒三角形荷載作用下,根據(jù)塔樓與連接桁架的變形協(xié)調條件,求出連接[CM(22]桁架對塔樓的約束彎矩,然后通過積分求得彎曲模[CM)][LL]型的頂點位移。
連接桁架對塔樓的約束彎矩由如下方程求得
AM=B
(12)
A=[JB([]K1+n k=1Sk(xk+1-xk)[KG*3][WB] n k=2Sk(xk+1-xk) [WB]…[KG*3][WB] n k=iSk(xk+1-xk) [WB]…[KG*3][WB] Sn(xn+1-xn)
n k=2Sk(xk+1-xk) K2+n k=2Sk(xk+1-xk) … n k=iSk(xk+1-xk) …Sn(xn+1-xn)
n k=iSk(xk+1-xk)n k=iSk(xk+1-xk) …Ki+n k=iSk(xk+1-xk) …Sn(xn+1-xn)
Sn(xn+1-xn) Sn(xn+1-xn) …Sn(xn+1-xn) …Kn+Sn(xn+1-xn)
B=F 2(n k=1Sk(x2k+1-x2k), n k=2Sk(x2k+1-x2k), …, n k=iSk(x2k+1-x2k), …, Sn(x2n+1-x2n))T [KG*2]頂部集中荷載
q 6(n k=1Sk(x3k+1-x3k), n k=2Sk(x3k+1-x3k), …, n k=iSk(x3k+1-x3k), …, Sn(x3n+1-x3n))T[KG*3]均布荷載
w 6(n k=1Sk(x3k+1-x3k), n k=2Sk(x3k+1-x3k), …, n k=iSk(x3k+1-x3k), …, Sn(x3n+1-x3n))T-
w 24H(n k=1Sk(x4k+1-x4k), n k=2Sk(x4k+1-x4k), …, n k=iSk(x4k+1-x4k), …, Sn(x4n+1-x4n))T[KG13]倒三角形荷載[JB)]
M=(M1,M2,…,Mi,…,Mn)T
式中:n為連接桁架的數(shù)量;M為連接桁架端部彎矩向量;A為系數(shù)矩陣;xn+1=H;Si=1/(EIi);Ki=(b+L/2)/(3E[AKI~]bi);B為塔樓獨立承受水平荷載時各個連體處的轉角向量。
求解方程式(12)得
M=A-1B
(13)
連接桁架的剪力Vbi由下式計算
Vbi=Mi b+L/2i=1,2,…,n
(14)
在3種荷載工況作用下,塔樓彎矩Mx的分布為分段函數(shù),由下式計算
Mx=Fx-Mx0 [WB]頂部集中荷載
qx2 2-Mx0均布荷載
wx2 2-wx3 6H-Mx0倒三角形荷載
Mx0=0 x<x1
M1x1≤x<x2
i k=1Mkxi≤x<xi+1
n k=1Mkx≥xn
在頂部集中荷載、均布荷載、倒三角形荷載3種荷載工況作用下,連接桁架端部的轉角θi由公式(16)計算得到
θi=Mi(b+L/2) 3E[AKI~]bi i=1,2,…,n
(16)
通過積分方法,可以得到在頂部集中荷載、均布荷載、倒三角形荷載3種荷載工況作用下結構頂點的彎曲位移uM0
uM0=F 3EI0x31+F 3n k=1x3k+1-x3k EIk-M1 2EI1(x22-x21)-M1+M2 2EI2(x23-x22)-…-1 2EIi?i k=1Mk(x2i+1-x2i)-…-1 2EInn k=1Mk(x2n+1-x2n) 頂部集中荷載
q 8EI0x41+q 8n k=1x4k+1-x4k EIk-M1 2EI1(x22-x21)-M1+M2 2EI2(x23-x22)-…-1 2EIi?i k=1Mk(x2i+1-x2i)-…-1 2EInn k=1Mk(x2n+1-x2n) 均布荷載
wx41 EI0(1 8-x1 30H)+w 8n k=1x4k+1-x4k EIk-w 30Hn k=1x5k+1-x5k EIk-M1 2EI1(x22-x21)-M1+M2 2EI2(x23-x22)-…-1 2EIii k=1Mk(x2i+1-x2i)-…-1 2EIn?n k=1Mk(x2n+1-x2n)倒三角形荷載
(17)
式中:等號右邊前n+1項為在3種荷載工況作用下塔樓獨立受力時的頂點彎曲位移;后n項為在連接桁架端部約束彎矩作用下,塔樓頂點彎曲位移的減少部分。
第i道連接桁架處(i=1,2,…,n)塔樓的彎曲位移uMi由下式計算[FL)]
uMi=uM,i+1+θi+1(xi+1-xi)+F 2EIi[x2i+1(xi+1-xi)-1 3(x3i+1-x3i)]-1 EIii k=1Mk[xi+1?(xi+1-xi)-1 2(x2i+1-x2i)] [KG14*5]頂部集中荷載
uM,i+1+θi+1(xi+1-xi)+q 6EIi[x3i+1(xi+1-xi)-1 4(x4i+1-x4i)]-1 EIii k=1Mk[xi+1?(xi+1-xi)-1 2(x2i+1-x2i)] [KG14*5]均布荷載
[JP2]uM,i+1+θi+1(xi+1-xi)+w 6EIi[x3i+1(xi+1-xi)-1 4(x4i+1-x4i)]-w 24HEIi[x4i+1(xi+1-xi)-1 5(x5i+1-x5i)]-1 EIii k=1Mk[xi+1(xi+1-xi)-1 2(x2i+1-x2i)] 倒三角形荷載[JB)]
(18)
式中:uM,n+1=0,θn+1=0。
3.3 剪切模型的內力與位移
在如圖6(c)所示的剪切模型中,各塔段均為剪力靜定桿,3種荷載工況作用下塔樓的剪力Vx分布由下式計算[HJ]
Vx=F 頂部集中荷載
qx均布荷載
wx-wx2 2H[KG*5]倒三角形荷載[JB)]
(19)
通過積分方法,可以得到在3種荷載工況作用下塔樓頂點的剪切位移uV0
uV0=μF GA0x1+μFn k=1xk+1-xk GAk頂部集中荷載
μq 2GA0x21+μq 2n k=1x2k+1-x2k GAk均布荷載
μω 2GA0x21+μω 2n k=1x2k+1-x2k GAk- μω 6HGA0x31-μω 6Hn k=1x3k+1-x3k GAk倒三角形荷載[JB)]
(20)
第i道連接桁架處(i=1,2,…,n)塔樓的剪切位移uVi由下式計算
uVi=μFn k=1xk+1-xk GAk 頂部集中荷載
μq 2n k=ix2k+1-x2k GAk 均布荷載
μω 2n k=ix2k+1-x2k GAk-μω 6H? n k=ix3k+1-x3k GAk 倒三角形荷載
(21)
3.4 整體彎矩系數(shù)
組合塔式結構在水平荷載作用下,塔樓底部軸力N由下式確定
N=n i=1Qbi=1 Bn i=1(Mli+Mri)=1 BMb
(22)
式中:Qbi為第i道連接桁架的剪力;Mli為第i道連接桁架左端彎矩;Mri為第i道連接桁架右端彎矩;Mb為連接桁架端部彎矩之和。
塔樓底部承擔的傾覆彎矩MN由下式確定
MN=NB=Mb
(23)
總傾覆彎矩M0由下式確定
M0=MT+MN=MT+Mb
(24)
式中:MT為各塔樓底部彎矩之和。
本文中采用整體彎矩系數(shù)K表示連接桁架對結構抗傾覆能力的貢獻,即
K=MN M0=Mb MT+Mb
(25)
整體彎矩系數(shù)反映了連接桁架端部彎矩在結構總傾覆彎矩中所占的比重和連接桁架的工作效能,其值越大,說明組合塔式結構的效能越高。
4 連接桁架效能分析
組合雙塔結構布置如圖9所示。塔樓均采用框架核心筒結構,共84層,標準層高為4.5 m,結構總高度為396 m,單塔x方向高寬比達到11.0。塔樓主要結構構件的規(guī)格如表1所示,其中外框柱采用鋼管混凝土構件,沿結構高度方向設置4道連接桁架。
根據(jù)本文方法,可以計算出塔樓各塔段與連接桁架的等效抗彎剛度。為了分析方便,假設塔樓各塔段等效抗彎剛度相等,EIb=4×1011 kN?m2,研究連接桁架數(shù)量與剛度對結構效能的影響。假設第1道連接桁架位于塔樓頂部,其余桁架沿塔樓高度均勻布置。將連接桁架的等效抗彎剛度EIb作為變量,在3種水平荷載工況作用下結構的頂點側移見表2~4,組合塔式結構的頂點側移與單塔的頂點側移之比如圖10所示。
從表2~4和圖10可以看出,連接桁架的數(shù)量對結構側向剛度的影響很大。設置連接桁架對結構頂點彎曲側移具有非常顯著的抑制作用,當僅設置1道連接桁架時,結構頂點側移減小可超過20%。隨著連接桁架數(shù)量的增加,結構頂點側移迅速減小,但是其減小的速度逐漸減緩。同樣,增加連接桁架的剛度對于減小結構頂點彎曲側移效果也很明顯,隨著連接桁架剛度的增大,結構頂點側移減小,但是其減小的速度也由快變慢。
結構的整體彎矩系數(shù)如表5~7和圖11所示。從表5~7和圖11可以看出,設置連接桁架對結構形成整體抗傾覆能力具有非常顯著的作用。連接桁架的數(shù)量對結構的整體抗傾覆能力影響明顯,當僅設置1道連接桁架時,整體彎矩系數(shù)K在0.10以上。隨著連接桁架數(shù)量的增加,整體彎矩系數(shù)K迅速增大,但是其增大的速度逐漸減緩。同樣,增加連接桁架的剛度EI對于整體彎矩系數(shù)K的影響也很明顯,隨著連接桁架剛度的增大,K逐漸增大,但是其增大的速度也由快變慢。
5 結語
(1)根據(jù)組合塔式結構在水平荷載工況作用下的變形特點,將其側向變形分解為彎曲變形與和剪切變形。對于塔段的彎曲變形部分,連接桁架的抗彎剛度對其有明顯的約束作用,形成整體抗傾覆能力;對于塔段的剪切變形部分,連接桁架主要起水平鏈桿作用,使塔樓水平位移協(xié)調,但是不能提高結構
圖9 組合雙塔結構布置(單位:mm)
Fig.9 Layouts of Bundled Twin Tower Structure (Unit:mm)
表1 塔樓主要結構構件的規(guī)格
Tab.1 Main Structural Properties of Towers Members
構件名稱 材料 構件型號
鋼管混凝土框架柱 Q345鋼材, C60~C40混凝土 D2000~D1000
樓面梁 Q345鋼材 H500×200×12×20
外框梁 Q345鋼材 H900×350×20×35
核心筒外墻 C60~C40混凝土 1200~500
核心筒內墻 C60~C40混凝土 500~300
連接桁架弦桿 Q345鋼材 □800×600×40×40
連接桁架腹桿 Q345鋼材 □800×600×50×50
表2 頂點集中荷載P=25 MN作用下結構的頂點側移
Tab.2 Lateral Displacements at Top of Structure Under Concentrate Load P=25 MN
mm
連接桁架
數(shù)量
不同連接桁架剛度(1010 kN?m2)下結構的頂點側移
2 4 6 8 10 12 無限大
0 908.6 908.6 908.6 908.6 908.6 908.6 908.6
1 696.7 585.3 516.7 470.1 436.4 411.0 227.2
2 605.4 465.0 383.6 330.2 292.3 264.0 56.8
3 540.5 392.9 312.8 262.2 227.3 201.6 25.2
4 488.9 341.1 265.1 218.6 187.1 164.2 14.2
6 411.0 270.8 204.0 164.8 138.9 120.4 6.3
8 354.9 224.9 166.2 132.6 110.7 95.3 3.5
10 312.5 192.5 140.4 111.1 92.2 79.0 2.3
表3 均布荷載q=200 kN?m-1作用下結構的頂點側移
Tab.3 Lateral Displacement at Top of Structure Under Uniform Load q=200 kN?m-1
mm
連接桁架
數(shù)量
不同連接桁架剛度(1010 kN?m2)下結構的頂點側移
2 4 6 8 10 12 無限大
0 959.5 959.5 959.5 959.5 959.5 959.5 959.5
1 760.6 656.1 591.6 547.9 516.3 492.4 319.8
2 656.9 515.6 432.9 378.2 339.1 309.6 80.0
3 588.2 437.7 355.1 302.3 265.5 238.1 35.5
4 533.9 382.2 303.1 254.0 220.3 195.6 20.0
6 452.1 306.7 236.2 194.1 165.9 145.5 8.9
8 393.0 257.1 194.5 157.9 133.8 116.5 5.0
10 348.2 221.9 165.8 133.5 112.4 97.4 3.2
側向剛度。
(2)隨著連接桁架數(shù)量的增加,結構的側向剛度與抗傾覆能力迅速增大。當連接桁架數(shù)量較多時,其效果逐漸減弱。在工程中,連接桁架的數(shù)量不宜多于4道,應結合建筑造型、功能與結構效率,確定最佳的連接桁架數(shù)量。
(3)隨著連接桁架剛度的增加,結構的側向剛度與抗傾覆能力顯著增大。但是當連接桁架剛度很大時,其效果逐漸減弱,故此應根據(jù)連接桁架的具體情
表4 倒三角形荷載w=250 kN?m-1作用下結構的頂點側移
Tab.4 Lateral Displacement at Top of Structure Under Inverted Triangle Load w=250 kN?m-1
mm
[BG(!][BHDFG10mm,WK5,K23*3/5W]
連接桁架
數(shù)量
不同連接桁架剛度(1010 kN?m2)下結構的頂點側移
2 4 6 8 10 12 無限大
0 879.6 879.6 879.6 879.6 879.6 879.6 879.6
1 693.1 595.1 534.6 493.6 464.0 441.6 279.9
2 598.7 467.7 391.1 340.5 304.4 277.3 67.5
3 535.7 396.6 320.4 271.8 238.0 212.9 29.8
4 485.8 345.8 273.0 227.9 197.1 174.5 16.7
6 410.6 276.6 212.0 173.5 147.8 129.2 7.4
8 356.3 231.3 174.0 140.7 118.8 103.1 4.2
10 315.1 199.2 147.9 118.6 99.5 86.0 2.7
圖10 結構頂點彎曲側移與無連接桁架時的比值
Fig.10 Ratios of Bending Lateral Displacement at Top of Structure to Those Without Connecting Trusses
況,合理確定連接桁架的剛度。
(4)整體彎矩系數(shù)K反映了連接桁架內力產(chǎn)生[CM(22]的彎矩在總傾覆彎矩中所占的比重,是組合塔式結[CM)]
表5 頂點集中荷載P=25 MN作用下結構的整體彎矩系數(shù)
Tab.5 Overall Moment Coefficients of Structure Under Concentrate Load at Top P=25 MN
連接桁架
數(shù)量
不同連接桁架剛度(1010 kN?m2)下結構的整體彎矩系數(shù)
2 4 6 8 10 12 無限大
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
1 0.16 0.24 0.29 0.32 0.35 0.37 0.50
2 0.25 0.37 0.44 0.48 0.52 0.54 0.75
3 0.32 0.45 0.52 0.57 0.60 0.63 0.83
4 0.37 0.51 0.58 0.62 0.66 0.68 0.88
6 0.45 0.58 0.65 0.69 0.72 0.74 0.92
8 0.51 0.63 0.69 0.73 0.76 0.78 0.94
10 0.55 0.67 0.73 0.76 0.78 0.80 0.95
表6 均布荷載q=200 kN?m-1作用下結構的整體彎矩系數(shù)
Tab.6 Overall Moment Coefficients of Structure Under Uniform Load q=200 kN?m-1
連接桁架
數(shù)量
不同連接桁架剛度(1010 kN?m2)下結構的整體彎矩系數(shù)
2 4 6 8 10 12 無限大
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
1 0.10 0.16 0.19 0.21 0.23 0.24 0.33
2 0.18 0.27 0.32 0.35 0.38 0.40 0.58
3 0.23 0.33 0.39 0.43 0.46 0.48 0.70
4 0.28 0.38 0.44 0.48 0.51 0.54 0.77
6 0.34 0.45 0.51 0.55 0.58 0.61 0.84
8 0.39 0.50 0.56 0.60 0.63 0.65 0.88
10 0.43 0.53 0.59 0.63 0.66 0.68 0.90
表7 倒三角形荷載w=250 kN?m-1作用下結構的整體彎矩系數(shù)
Tab.7 Overall Moment Coefficients of Structure Under Inverted Triangle Load w=250 kN?m-1
連接桁架
數(shù)量
不同連接桁架剛度(1010 kN?m2)下結構的整體彎矩系數(shù)
2 4 6 8 10 12 無限大
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
1 0.12 0.18 0.22 0.24 0.26 0.27 0.38
2 0.20 0.30 0.35 0.39 0.42 0.44 0.64
3 0.26 0.37 0.43 0.47 0.51 0.53 0.75
4 0.30 0.42 0.49 0.53 0.56 0.58 0.81
6 0.37 0.49 0.56 0.60 0.63 0.65 0.88
8 0.42 0.54 0.60 0.64 0.67 0.69 0.91
10 0.46 0.58 0.64 0.68 0.70 0.72 0.93
]圖11 組合塔式結構的整體彎矩系數(shù)K
Fig.11 Overall Moment Coefficient K of Bundled Tower Structure
構與單塔相比結構效能提高的反映,組合塔式結構的整體彎矩系數(shù)K可達到0.4。
參考文獻:
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Journal of Traffic and Transportation Engineering(English Edition)征稿啟事
Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition) (CN 611494/U, ISSN 20957564)是由國家新聞出版廣電總局批準,教育部主管,長安大學主辦,國務院學位委員會交通運輸工程學科評議組、西南交通大學與東南大學共同協(xié)辦,為交通運輸工程一級學科服務的英文學術期刊,2014年2月創(chuàng)刊并發(fā)行,雙月刊,16開,80頁,由北卡羅來納州立大學Richard Kim教授、長安大學馬建教授任主任委員,北卡羅來納州立大學Richard Kim教授任主編。截至目前,本刊有58位編委,包括47位國外教授和11位國內教授,其中國內外院士共有11位。
Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition)是交通運輸領域高水平的英文學術刊物,是國內外交通運輸領域學術交流的園地,體現(xiàn)綜合交通格局,繁榮大交通科技研究,促進交通運輸科技成果轉化,為交通運輸工程一級學科建設服務,為發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)交通運輸領域科技人才服務,為促進交通運輸學術研究與國際交流服務。
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投稿郵箱: jtte@chd.edu.cn; jtte2014@126.com 電話 :02982334388 聯(lián)系人: 韓躍杰
聯(lián)系地址: 陜西省西安市南二環(huán)路中段長安大學雜志社郵政編碼:710064
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Journal of Traffic and Transportation Engineering(English Edition)征稿啟事
Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition) (CN 611494/U, ISSN 20957564)是由國家新聞出版廣電總局批準,教育部主管,長安大學主辦,國務院學位委員會交通運輸工程學科評議組、西南交通大學與東南大學共同協(xié)辦,為交通運輸工程一級學科服務的英文學術期刊,2014年2月創(chuàng)刊并發(fā)行,雙月刊,16開,80頁,由北卡羅來納州立大學Richard Kim教授、長安大學馬建教授任主任委員,北卡羅來納州立大學Richard Kim教授任主編。截至目前,本刊有58位編委,包括47位國外教授和11位國內教授,其中國內外院士共有11位。
Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition)是交通運輸領域高水平的英文學術刊物,是國內外交通運輸領域學術交流的園地,體現(xiàn)綜合交通格局,繁榮大交通科技研究,促進交通運輸科技成果轉化,為交通運輸工程一級學科建設服務,為發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)交通運輸領域科技人才服務,為促進交通運輸學術研究與國際交流服務。
Journal of Traffic and Transportation Engineering (English Edition)的報道范圍涵蓋公路、鐵路、航空、水運、管道五大運輸方式,包括道路與鐵道工程、載運工具運用工程、交通運輸規(guī)劃與管理、交通信息工程及控制四個二級學科?,F(xiàn)面向國內外征稿,歡迎交通運輸領域高水平的學術論文及重大工程實踐項目產(chǎn)生的稿件,尤其是國家各種基金項目和攻關項目所產(chǎn)生的論文投向本刊,特別歡迎交通運輸領域知名專家和學者撰寫綜述與評述性文章。
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