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        高層框剪結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

        2022-11-03 03:22:36趙志坤
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年19期
        關(guān)鍵詞:抗風(fēng)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        趙志坤

        (唐鋼國際工程技術(shù)有限公司,河北 唐山063000)

        1 高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的破壞形式

        風(fēng)荷載對高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞主要是通過平均風(fēng)的靜力作用和脈動風(fēng)的動力作用相互疊加造成的, 其破壞的主要形式有以下5 種:第一種,高層結(jié)構(gòu)的變形超出設(shè)計(jì)允許范圍,如墻體開裂;第二種,高層結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力超出設(shè)計(jì)允許范圍,如高層結(jié)構(gòu)柱子的主筋屈服; 第三種, 高層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞;第四種,高層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強(qiáng)烈的震顫,使得整個高層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞甚至局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌;第五種,高層結(jié)構(gòu)外圍裝飾或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)脫落。

        根據(jù)不同高層建筑結(jié)構(gòu)的基本性能需求不同, 將風(fēng)荷載振動性能水準(zhǔn)分為基本無損害、輕微損害、中等程度損害以及嚴(yán)重?fù)p害4 類。 靜力風(fēng)壓的大小由靜力風(fēng)壓和風(fēng)荷載作用的有效面積決定,靜力風(fēng)壓w 的計(jì)算表達(dá)式如式(1):

        式中,us為風(fēng)荷載作用建筑物的體型系數(shù);uz為風(fēng)荷載壓力高度變化系數(shù);w0為建筑物設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓。

        脈動風(fēng)荷載主要是第一振型, 第一振型風(fēng)振力p 表達(dá)式如式(2):

        式中,g 為峰值因子;I10為名義絮流度 (10 m 高);Bz為背景分量因子;R 為共振分量因子;B 為迎風(fēng)面寬度。

        2 高層框剪結(jié)構(gòu)整體抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

        2.1 依據(jù)性能的抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

        依據(jù)高層結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)方法最早是應(yīng)用在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面,其應(yīng)用的目的很明確,即保障生命安全的同時盡可能降低經(jīng)濟(jì)損失。 但依據(jù)高層結(jié)構(gòu)性能抗風(fēng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上抗震設(shè)計(jì), 依據(jù)性能的抗風(fēng)設(shè)計(jì)的初衷是在風(fēng)荷載作用下確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性。 通過對高程建筑結(jié)構(gòu)指定不同級別的性能水準(zhǔn), 使得高層結(jié)構(gòu)在整個壽命周期內(nèi)處理因風(fēng)荷載帶來影響的花費(fèi)最低。 依據(jù)高層結(jié)構(gòu)性能的抗風(fēng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)更加尊重使用者對抗風(fēng)的具體要求, 這一點(diǎn)與傳統(tǒng)高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)完全不同, 傳統(tǒng)高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)不能合理確定高層建筑的抗風(fēng)水準(zhǔn), 而依據(jù)高層結(jié)構(gòu)性能的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理念, 既考慮了高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性又考慮了使用者的舒適程度,這一點(diǎn)正是建筑設(shè)計(jì)人性化的具體體現(xiàn)。 依據(jù)性能的高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括確定抗風(fēng)性能目標(biāo)、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能判定。

        高層框剪結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和高程框架結(jié)構(gòu)整體變形能力在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時處于不確定狀態(tài)。 鑒于此,在高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時采用依據(jù)可靠度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。 通過可靠度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步量化結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)位移以及結(jié)構(gòu)能量。 高層建筑結(jié)構(gòu)變形勢必要產(chǎn)生位移變形, 即高層建筑結(jié)構(gòu)的水平方向發(fā)生變形會使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平變形,使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)向位移,當(dāng)側(cè)向位移累加到一定程度,整個高層建筑結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)傾覆危險(xiǎn)。換言之, 在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)水平位移的累加量,將位移累加量控制在合理可控的范圍內(nèi)。 因此,通過控制高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移量來實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)損傷變形的有效控制。 依據(jù)高層框剪結(jié)構(gòu)性能的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是將使用者對建筑功能的需求作為結(jié)構(gòu)位移控制指標(biāo)的基礎(chǔ), 并以此為依據(jù)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 再利用有限元模型對建筑結(jié)構(gòu)施加風(fēng)荷載,在模型下進(jìn)行數(shù)值模擬來確定其整體變形量,最終確定變形量計(jì)算結(jié)構(gòu)是否在設(shè)計(jì)規(guī)范之內(nèi)。

        2.2 依據(jù)結(jié)構(gòu)位移的設(shè)計(jì)方法

        單純從高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力視角來看,高層結(jié)構(gòu)損傷程度可以通過整體建筑結(jié)構(gòu)的位移量或者建筑局部位移量來確定建筑結(jié)構(gòu)的損傷程度。 位移變形量是高層建筑結(jié)構(gòu)性能控制的重要實(shí)現(xiàn)途徑。 基于此,依據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)位移的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力設(shè)計(jì)的一種方法。 我國建筑規(guī)范規(guī)定高層建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度參數(shù)的確定是依據(jù)結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比的限值來實(shí)現(xiàn)的。 進(jìn)行與高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力相關(guān)設(shè)計(jì)研究的主要目的就是確保高層建筑在風(fēng)荷載作用下仍然具有可靠的安全性。 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的要求是在50 年罕見的大風(fēng)荷載下,高層建筑依然處于彈性階段。 所謂彈性階段是指在風(fēng)荷載作用下,高層建筑依然處于結(jié)構(gòu)基本完好且只有極少數(shù)承重墻出現(xiàn)裂縫的輕微損害狀態(tài)。

        3 高層建筑框剪結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的不確定因素及靈敏度分析

        3.1 抗風(fēng)設(shè)計(jì)的不確定性

        無論是高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)還是施工環(huán)節(jié), 都受到人為因素、環(huán)境因素以及工藝施工因素的影響。 在多重因素的綜合影響下會產(chǎn)生很多種計(jì)算模型、不計(jì)其數(shù)的邊界條件,使得荷載作用在建筑結(jié)構(gòu)上的效能具有不確定性,換言之,建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、 結(jié)構(gòu)的位移量以及結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力都是不確定值。 而數(shù)值分析的準(zhǔn)確程度與參數(shù)選擇的準(zhǔn)確程度是密不可分的。 參數(shù)的不確定性同樣影響著極限方程計(jì)算結(jié)果,同時也是結(jié)構(gòu)整體可靠度的研究基礎(chǔ)。 基于此,在有限元模型分析過程中考慮隨機(jī)因素變量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 通過高層建筑結(jié)構(gòu)材料性能的不確定性和建筑結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的不確定性來分析高層框剪結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下發(fā)生的位移變化。 高層框剪結(jié)構(gòu)中對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主要影響的部分有框架柱、 框架梁以及剪力墻等構(gòu)件,而這些構(gòu)件的主要材料就是鋼筋混凝土,所以這些構(gòu)件材料性能變量的內(nèi)容主要包括彈性模量、 鋼筋的屈服強(qiáng)度以及混凝土抗壓強(qiáng)度。 高層框剪結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)變量主要包括鋼筋直徑、鋼筋縱向錨固長度、柱體橫截面面積以及結(jié)構(gòu)梁橫截面面積等。

        3.2 參數(shù)靈敏度分析

        高層框剪結(jié)構(gòu)可靠度分析時需要處理的位移響應(yīng)變量較多,如果將所有的變量都按照隨機(jī)變量處理,那會使得處理分析過程異常復(fù)雜。 在確保計(jì)算精度的前提下本著簡化計(jì)算過程的原則,將那些對結(jié)構(gòu)可靠度有顯著影響的參數(shù)作為變量,而那些對結(jié)構(gòu)影響力較弱的參數(shù)可以直接當(dāng)作常量來處理。之所以進(jìn)行靈敏度分析是因?yàn)殪`敏度可以摸清每個參數(shù)變量對結(jié)構(gòu)位移的影響程度, 還可以通過減少變量個數(shù)實(shí)現(xiàn)降維效果。 高層框剪結(jié)構(gòu)隨機(jī)變量參數(shù)靈敏度分析的分以下4 個步驟:第一步,將所有變量的平均值輸入系統(tǒng),并利用有限元軟件分析出高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的位移響應(yīng); 第二步, 分別用每個參數(shù)區(qū)間范圍上下限數(shù)值的3 倍標(biāo)準(zhǔn)差來代替第i 個隨機(jī)變量并獲取位移響應(yīng);第三步,按照第二步的標(biāo)準(zhǔn)對高層建筑結(jié)構(gòu)位移和第i 個隨機(jī)變量之間的關(guān)系進(jìn)行分析,并繪制二者之間的關(guān)系曲線圖;第四步,通過第三步獲取的關(guān)系曲線圖來確定敏感參數(shù)指標(biāo)。

        4 高層框剪結(jié)構(gòu)整體抗風(fēng)設(shè)計(jì)實(shí)例研究

        4.1 案例簡介

        某框剪結(jié)構(gòu)高層建筑,地上21 層,地上1 層層高5 m,地上2 層層高4.5 m,地上1 層和2 層均作為商業(yè)使用,地下2 層為車庫。 地上3~21 層層高為3.8 m,均為辦公使用。 建筑外框架平面尺寸為23 m×23 m。 建筑結(jié)構(gòu)的基本風(fēng)壓參數(shù)為0.45 kN/m2,地面粗糙程度為B 級。 該框剪結(jié)構(gòu)高層建筑的結(jié)構(gòu)主要包括框架柱與梁、剪力墻。 不同構(gòu)件的尺寸和構(gòu)件材料類型見表1。

        表1 高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件信息表

        4.2 有限元建模

        通過有限元分析軟件將案例工程劃分成5 877 個梁單元、6 521 個殼單元以及12 355 個節(jié)點(diǎn)。采用等效鋼筋面積法將梁內(nèi)鋼筋、柱內(nèi)鋼筋進(jìn)行換算。 換算步驟如下:先計(jì)算梁體和柱體橫截面的縱向鋼筋量, 再依據(jù)梁體混凝土厚度和柱體混凝土厚度來計(jì)算型鋼的高度和寬度, 最后通過驗(yàn)算驗(yàn)證該等效換算滿足實(shí)驗(yàn)基本收斂要求。

        4.3 風(fēng)荷載的確定

        依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和建筑框架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形主要發(fā)生在水平方向, 所以風(fēng)荷載的計(jì)算主要考慮第一振型風(fēng)的影響。 由案例項(xiàng)目給出的基本數(shù)據(jù)可知,基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2,地面粗糙程度為B 級,則根據(jù)規(guī)范可知該建筑結(jié)構(gòu)的迎面風(fēng)體型系數(shù)為0.8,背面風(fēng)體型系數(shù)為-0.6;其余計(jì)算常數(shù)按照GB 50009—2012《建筑荷載規(guī)范取值》。 結(jié)合公式(1)和公式(2)可以計(jì)算出該建筑框剪結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載值, 并通過擬合工具做出第一振風(fēng)擬合曲線,將擬合曲線數(shù)據(jù)與中心數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,平均誤差在0.003以內(nèi),可以確定擬合結(jié)果符合要求。

        4.4 靈敏度參數(shù)確定

        高層框剪結(jié)構(gòu)中主材為鋼筋和混凝土。 由于結(jié)構(gòu)剛度受彈性模量影響較大, 所以分析鋼筋和混凝土的彈性模量對建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向高度影響靈敏度分析是十分必要的。 以鋼筋和混凝土彈性模量平均值為基點(diǎn),在標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)上下變化,將結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移作為判斷側(cè)向剛度的標(biāo)準(zhǔn)。 高層框剪結(jié)構(gòu)的幾何尺寸主要包括梁體尺寸、柱子尺寸、梁和柱體內(nèi)鋼筋直徑以及剪力墻墻體厚度, 幾何參數(shù)的變化范圍選取策略和材料強(qiáng)度選取策略一致。 通過對鋼筋混凝土強(qiáng)度和鋼筋混凝土幾何尺寸隨機(jī)性對結(jié)構(gòu)變形影響的分析結(jié)果可知, 對建筑結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移影響最敏感的是混凝土彈性模量。 當(dāng)混凝土彈性模量增加,建筑結(jié)構(gòu)的變形減小,可以確定混凝土彈性模量對建筑建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性具有重要作用。

        梁體高度是次敏感因素。 此外,梁體寬度和剪力墻厚度的也是較為敏感的因素。 混凝土彈性模量、梁體高度和寬度以及剪力墻厚度對建筑結(jié)構(gòu)位移變化率的影響都在2%以上,可以確定這4 個參數(shù)對建筑結(jié)構(gòu)剛度影響較大。

        4.5 框剪結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)頂層位移可靠度計(jì)算

        根據(jù)靈敏度分析確定混凝土彈性模量、 梁體高度和寬度以及剪力墻厚度4 個參數(shù)對建筑結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移影響顯著,所以選擇這4 個參數(shù)作為頂面位移函數(shù)的響應(yīng)面, 之后即可進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的可靠性分析。 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范要求,建筑結(jié)構(gòu)的整體變形能力為建筑結(jié)構(gòu)總高度與各樓層之間的彈性位移角限值的乘積, 風(fēng)荷載作用的高層框剪結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移為高層結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下所產(chǎn)生的位移需求, 所以建筑結(jié)構(gòu)變形的狀態(tài)方程表達(dá)式為:式中,Z 為建筑結(jié)構(gòu)變形量;H 為高層框剪結(jié)構(gòu)總高度;Δu/h 為樓層之間的彈性位移角限值;Δ 為高層框剪頂點(diǎn)位移。

        從式(3)可以看出:高層建筑結(jié)構(gòu)整體位移與4 個參數(shù)之間是一個非線性的隱函數(shù)。 利用數(shù)值分析軟件,對高層建筑結(jié)構(gòu)整體變的極限狀態(tài)方程進(jìn)行可靠性分析后確定高層建筑接結(jié)構(gòu)整體可靠度高于標(biāo)準(zhǔn)值, 該抗風(fēng)設(shè)計(jì)值滿足結(jié)構(gòu)安全可靠性需求。

        5 結(jié)語

        經(jīng)濟(jì)性、 安全適用性是以后建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流發(fā)展方向。 抗風(fēng)性能高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的最終目的是在建筑結(jié)構(gòu)安全性和建筑經(jīng)濟(jì)性二者之間找到一個平衡點(diǎn), 并以此平衡點(diǎn)為突破口進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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