Theoretical calculation and prediction of temperature-induced deformation for super high-rise frame-core tube buildings

超高层建筑的温度变形具有明显的弯曲型特征，随着结构高度的增加，温度变形量会显著增大。考虑常见的超高层框架-核心筒结构，将其等效为多层变截面悬臂柱，推导了截面温度场和核心筒温度应变的理论公式，结合应变与变形的数学关系，建立了截面温度场和温度变形的理论模型，包括温度场-水平变形、温度场-竖向变形和温度场-倾角模型；然后利用偏最小二乘回归法求解未知的温度变形系数，实现了温度变形的计算与预测。以335 m高的武汉长江航运中心结构为数值算例，计算了结构为期一年的温度场和温度变形数据，以此数据为基础，对提出的温度变形理论模型进行了验证。计算结果表明：偏最小二乘回归法能稳定地求解温度变形系数，温度变形回归模型的回归值与基准值吻合较好，最大相对误差和最小相对误差分别为15.10%和3.87%；回归模型预测值与基准值的变化趋势基本一致，最大相对误差和最小相对误差分别为8.49%和4.39%，可以认为截面温度场和核心筒温度变形之间具有明显的线性关系。所提出的方法适用于计算由季节温差和日照温差引起的温度变形。     

超高层建筑施工期温度效应监测与分析

超高层建筑施工期受日照等环境因素影响,温度场分布不均匀,使结构产生不均匀变形和应力,进而影响施工质量和结构安全。文章基于一座335m超高层实际监测数据,研究了其施工期结构温度分布特点及其应力应变演化规律。结果表明,超高层建筑的外框与核心筒之间,以及结构的不同方位之间,均存在明显的不均匀温度分布,其不均匀程度随着季节而变化。结构在不均匀温度影响下产生不均匀应力变化,外框架竖向应力与季节性温度呈负相关性,主梁在季节温差影响下存在受拉开裂风险。研究成果对提高超高层施工质量、增强其运营期安全性和耐久性具有指导意义。     

基于温度变化的超高层混合结构构件变形及受力分析

考虑太阳总辐射、温室气体中CO2对气候的影响,通过研究全球变暖与辐射强迫之间的定量关系,建立一个线性关系模型,并以此为基础对未来近100年的上海地区极端最高温度和极端最低温度变化进行预测,分析结构在温度作用下的最不利工况,得出结构的最不利正温差和最不利负温差;基于变化温度方法和一般温度方法,采用MIDAS软件对超高层建筑在温差作用下施工阶段和正常使用阶段巨柱和核心筒的温度变形及两者之间的差异变形进行分析;考虑气温变化对结构典型构件轴力及伸臂的影响.研究结果表明:上海地区极端最高温度和极端最低温度呈上升趋势,到2110年,上海地区极端最高温度将上升3℃;2种方法计算的巨柱和核心筒的竖向变形、差异变形及底部楼层和中部楼层轴力相差很大;伸臂层轴力发生突变,温差作用引起的伸臂内力高达最不利荷栽组合的63%.     

超高层矩形钢管混凝土柱太阳辐射下截面温度场分析

超高层结构常采用矩形钢管混凝土柱,在超高层结构施工中,矩形钢管混凝土柱一般会受到太阳直晒,强太阳辐射下,钢管表面温度可达到50~70℃,由于截面尺寸通常较大,钢管壁的四面和核心混凝土温度极不均匀,会影响钢管混凝土柱的受力。为了明确太阳辐射下钢管混凝土柱的截面温度场分布,研究了超高层主体结构施工阶段,矩形钢管混凝土柱在太阳辐射作用下温度场分布、壁面和混凝土温度变化规律、温差变化规律。分析发现:核心混凝土与钢管四个壁面温度差最大可达35.6℃,东西面钢管壁温差最大达25.6℃,极值温度和温差随截面尺寸增加而增加,但是边长大于1 000 mm后,极值温度和截面温差增幅变缓。     

地下超长结构环境温度效应数值模拟分析

为分析环境温度对地下隧道结构温度场、温度应力场及变形的影响,基于对隧道超长钢筋混凝土结构使用阶段结构变形实测数据,利用ANSYS10.0软件对南京玄武湖隧道90m长无缝结构的环境温度效应进行数值计算分析。结果表明,环境温度作用下隧道结构温度由内壁向外围土体形成明显的温度梯度,结构温度随环境气温波动,而且波动存在滞后相位;负温差作用下结构沿纵向产生拉应力,由内壁至外壁逐渐减小,最大拉应力位于中间截面;负温差作用下结构沿纵向收缩变形,且变形大小与结构内温差呈线性关系,最大位移位于结构无缝段端部截面,其值比实测值略大。环境温度效应对地下超长混凝土隧道结构的影响不容忽视。     

三面受火条件下工字钢截面的温度场分区计算

为了较准确地评估火灾条件下三面受火工字钢截面的温度分布,采用非稳态的热传导计算理论对工字钢上下翼缘与腹板进行分区,分别计算了钢构件截面各部分的温度场,综合考虑表面热阻、背火面的热损失,较精确地分析出截面各部分温度场分布.计算结果表明:钢构件各部分截面温度呈极不均匀分布,受标准火60 min和120 min时,上翼缘比截面平均温度低约57%和64%;下翼缘比截面平均温度高约13%和20%;而腹板比截面平均温度高约88%.钢结构截面各部分温差较大将会引发较大的温度应力,更高的腹板温度可能引发腹板率先破坏,在确定构件保护层厚度时应予充分重视.     

油套管导热系数与温度耦合模型计算井筒温度场

研究了油套管材料、水泥环、地层及井筒流体的导热系数与温度的关系,建立了井筒各组件导热系数与温度耦合变化的井筒温度场计算模型,并以井底参数为初始节点进行数值求解。采用VB.NET编制了计算程序,并开展了实例计算,对比分析了Landmark Wellcat模型、耦合模型、非耦合模型的计算结果与实测井口温度的相对误差。本文建立的耦合模型的计算结果更接近实测值,具有更高的精度,同时采用本文耦合模型研究了油套管材料、产量、开采时间和井筒流体热力学参数对井筒温度场的影响。     

磁浮轨道钢箱梁日照温度场及变形研究

磁浮轨道梁日照作用下的温度变形是轨道梁设计需考虑的重要因素,文章根据传热学与有限元理论,结合上海夏季气象参数与日照辐射半经验公式,利用ANSYS建立上海磁浮线轨道钢箱梁日照温度场三维瞬态模型,经实测构件验证,计算值与实测值吻合良好。分析磁浮轨道梁的最大竖向与横向温差发生时刻的温度梯度分布,并以指数函数为基础拟合得到对应温度梯度曲线,竖向温差拟合值略低于德国磁浮规范值,横向温差拟合值高于德国磁浮规范值。基于日照温度场分析结果,计算不同支承形式钢轨道梁的温度变形,得到磁浮轨道钢箱梁在双跨连续形式下能够较好抵抗温度变形的结论。提出磁浮轨道钢箱梁外露部分涂料的选取建议,以减小日照辐射吸收能量,从而降低截面温差及温度梯度变形。     

带高强混凝土钢板剪力墙的超高层框架-核心筒结构抗震性能研究

基于11个高强混凝土钢板剪力墙模型试验,采用有限元软件PERFORM-3D完成了不同设计参数的试件在低周反复荷载作用下的模拟分析,对比了抗剪承载力、刚度、滞回性能等参数,验证有限元模型的合理性,确定整体结构中剪力墙模型参数。采用非线性时程分析,对比研究带高性能剪力墙的超高层框架-核心筒结构与带普通钢筋混凝土剪力墙的超高层框架-核心筒结构整体地震响应和剪力墙材料损伤等差异。分析结果表明:带高强混凝土钢板剪力墙的超高层框架-核心筒结构底部剪力墙的损伤程度和范围明显减小,其底部剪力墙混凝土最大压应变与原结构相比最大可减小42.9%,钢板最大拉应变与原结构相比最大可减小64.9%。构件试验与整体结构分析均证明高强混凝土钢板剪力墙结构抗震性能优越,结构底部剪力墙损伤得到有效控制。     

某超高层结构施工仿真及其效应影响研究

以广州某超高层结构项目为背景,对其进行施工全过程仿真,并与实测结果进行了对比。研究结果表明:施工仿真计算出的竖向变形、应变数据和实测结果吻合良好;结构施工仿真分析计算所得竣工时刻的结构竖向变形分布规律并不同于一次性加载方法计算所得结果,其竖向变形曲线沿楼层呈抛物线变化;外框架与核心筒间位移差先增大后减小,然后再反向增大,更符合实际工程情况;考虑找平与否的竖向变形最大值相差接近1倍,外框架与核心筒竖向变形相差65%;不考虑混凝土收缩徐变的计算结果最大值比考虑时约小40%。要减少结构竣工时外框架与核心筒竖向变形差值,应针对不同施工阶段采取不同的核心筒超前层数。位移实测结果与施工仿真数值计算结果吻合较好,证明了本文研究的施工仿真方法的合理性。     

高层超长结构预应力梁的非线性有限元分析

介绍了高层超长结构的抗裂措施，对预应力梁的有限元类型及相应的本构关系进行了研究，并对其计算结果进行了分析以有效控制温度应力引起的结构裂缝的产生和发展，从而达到对高层超长结构进行优化的效果。     

某超长高层框剪结构温度效应设计与裂缝案例分析

以合肥某超长高层框架-剪力墙结构为背景,介绍了温度作用与收缩效应设计及采取的加强措施,研究了结构在温度作用及收缩效应下的变形规律与应力分布特征。结果表明,底部2层收缩变形及楼板应力均较大,3层以上相对收缩变形及楼板应力均很小,可忽略不计。同时对该超长高层结构12~16层仍局部产生了集中裂缝的成因进行了深入剖析,并提出了应对方法和处理措施,可为类似工程实践提供参考。     

某连续超长高层建筑温度应力计算分析

与多层建筑不同,连续超长高层建筑中分布于两侧的剪力墙对楼盖形成很大的侧向约束,可能产生显著的温度应力。以一工程实例探讨了连续超长高层混凝土结构的温度应力问题。分析表明:由于地下室顶板的约束作用,在降温工况下,低层次楼盖受拉效应显著,温度应力由下向上递减;且由于结构两端的剪力墙产生向内的变形和相应的转角,较高楼层的楼盖产生了一定程度的压应力。相应地,在升温工况下,上部楼层的楼盖可能产生拉应力。     

超高层结构地震位移及剪力响应峰值时滞效应研究

近年结构震害表明,超高层结构在远场地震动作用下出现了楼顶长时间大幅值晃动现象且时滞效应明显,其中大幅值晃动造成非结构构件破坏严重,现行设计方法对地震作用下超高层结构大变形的控制还有不足。因此,文中简要分析了结构响应峰值机理,对长周期结构进行了近场及远场地震波作用下的时程分析,研究了长周期结构响应峰值与地震波中和结构基本周期对应频率的脉冲族之间的相关性,讨论了结构弹塑性对超高层结构响应峰值时滞特征的影响。结果表明：超高层结构与地震波中对应频率的脉冲族产生类共振是引起结构大幅值晃动的主要原因,仅基于加速度反应谱拟合精度选出的地震波不能较好预测超高层结构的大变形;类共振出现在地震波衰减段时会引起时滞效应;结构弹塑性引起的刚度退化会影响结构响应峰值及其出现时刻。     

钢骨混凝土框架-核心筒超高层混合结构竖向变形研究

钢骨混凝土框架-核心筒超高层混合结构竖向变形对结构的长期安全稳定影响显著。基于混凝土弹性、徐变和收缩变形的理论分析,推导了超高层建筑考虑结构施工过程的徐变计算式,依此建立了考虑超高层混合结构体系分级循环施加变荷载的竖向变形计算方法,并分析了施工过程对内外结构竖向变形差异的影响,最后,以深圳平安金融中心为工程背景,研究了超高层混合结构竖向变形规律和内筒与外框架的变形差异。结果表明：所提方法对超高层混合结构竖向变形的预测结果与工程实际测量结果误差较小,可反映超高层建筑的长期竖向变形及变形差的发展规律;超高层建筑竖向变形呈中部大、两端小的鱼腹形,结构施工期间,竖向变形最大值发生在中部位置,并随着服役期的延长,竖向变形最大值所在楼层逐渐上移;在施工期间,弹性压缩变形最大,徐变次之,收缩最小,而竣工后,徐变和收缩占总变形的比例不断增加,深圳平安金融中心竣工50a后的徐变收缩变形将达到弹性压缩变形的2~3倍;内筒剪力墙竖向变形比外框架柱大,且单层结构施工周期越短,内外结构长期变形差越大,核心筒超前外框架施工层数越多,变形差越大。     

大体积混凝土水化热温度裂缝分析

以某大型工业水池的水化热温度裂缝为工程研究背景,分别使用一般计算和有限元分析这两种方法对该水池的裂缝产生原因进行分析,一般计算结果与有限元计算结果相近。有限元分析表明,水池池壁长边中间区域水化热温度应力较大,当温度拉应力大于混凝土抗拉应力标准值时混凝土就会开裂,这与实际结构裂缝开展情况基本一致。     

浅析高层建筑的基础设计

高层建筑基础设计应因地制宜,做到技术先进、安全合理、经济适用。高层建筑基础设计中,由于上部结构和地基基础的相互作用,从而导致内力计算的误差,有时误差还很大。文章综述了高层建筑结构体系的分类,介绍了设计过程中各步骤的应用,将高层建筑、基础和地基三者看成一个整体,并且满足地基、基础与上部结构三者在接触部位的变形协调条件。     

超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构的抗震特性分析

运用大型有限元软件ANSYS对某超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构进行模态分析,并通过设计软件ETABS的计算结果对其进行验证,得到结构的自振特性。在模态分析的基础上,采用时程分析法对该结构进行非线性地震分析,对结构输入3种不同的地震波进行计算,充分分析和比较了计算结果,包括层间位移角沿高度变化包络曲线、顶点水平位移时程曲线、层间位移沿高度变化包络曲线以及顶层加速度时程曲线。结果表明:在地震作用下,该结构没有出现较为明显的薄弱层,同时结构的最大层间位移角出现在结构的中上部,且其值小于《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的1/100,能够满足抗震设防要求。利用ANSYS和ETABS对结构进行非线性地震分析,反映了此类结构体系在地震作用下的动力特性,解决了设计中的疑难问题,并校验了结构设计方案的合理性。研究结果在超高层结构抗震设计方面具有重大的理论意义和实用价值。     

上海环球金融中心施工竖向变形分析

上海环球金融中心是世界上最高的建筑之一,施工过程中结构竖向变形累积问题尤为突出,有必要对其进行研究。建立了适于结构施工模拟的精细化有限元模型,综合时变结构离散分析法与龄期调整有效模量法,实现了超高层结构施工全过程分析;将整个结构按照施工过程划分成一系列材料参数、几何参数、荷载边界条件不同的平衡体系;通过对各平衡体系的有限元求解,实现了考虑徐变效应的施工全过程模拟,获得结构各施工阶段的竖向变形、层间压缩量以及框筒内外相对竖向变形,分析了施工过程中上海环球金融中心竖向变形。将模拟结果与一次性加载和不考虑徐变的施工模拟结果对比表明：上海环球金融中心变形计算应考虑施工过程和徐变效应的影响;计算结果与实测结果吻合较好,证明了建议方法的可行性。图12表3参12