中国国际丝路中心超高层结构设计与关键技术

中国国际丝路中心超高层建筑总高度498 m,位于陕西省西安市,抗震设防烈度8度,该结构的侧向变形和承载力均由地震作用控制.为解决结构侧向刚度不足的问题,设置了伸臂桁架加强层,然而传统伸臂桁架往往会造成结构刚度和承载力突变等问题.为此,采用基于刚性伸臂和黏滞阻尼伸臂的组合伸臂桁架技术,研究刚性伸臂桁架和黏滞阻尼伸臂桁架在...     

超高层建筑伸臂桁架-核心筒剪力墙节点杆系计算模型

基于超高层建筑通常采用的巨柱框架-伸臂桁架-核心筒结构体系中伸臂桁架与核心筒剪力墙连接节点的重要性,针对伸臂桁架斜腹杆在节点处直接与墙两侧外包钢板相连的外包钢板节点形式提出全杆系简化模型和设计方法。利用有限元分析软件MSC.MARC(2010)建立该节点的数值模型,并分析确定模型的边界范围。提出考虑混凝土开裂的全杆系简化模型,并通过数值模型进行验证。分析剪力墙开洞对节点受力性能的影响并给出节点的设计方法。研究结果表明：外包钢板节点在承受拉力作用时较为不利,是该类节点的控制工况;数值模型能够较准确地模拟外包钢板的应力发展规律;全杆系简化模型简便易行且具有较高精度,在荷载水平较大时能够较准确地估计整个节点的刚度及内力分配,在荷载水平较低时可给出偏于安全的结果;连梁分担轴力比例主要由洞口高度决定,近似呈线性关系。本文研究可为该类伸臂桁架-核心筒剪力墙节点在工程中的应用提供参考。     

A general solution for performance evaluation of a tall building with multiple damped and undamped outriggers

This paper presents a general solution for performance evaluation of a tall building with multiple damped and undamped outriggers. First, general rotational stiffness (GRS) is proposed to model an outrigger that consists of the stiffness of perimeter columns and an outrigger connection and the damping of dampers in an outrigger. By utilizing the dynamic stiffness method, the GRS can be represented by complex stiffness in an outrigger element. To analyze the dynamic characteristics of a tall building with multiple outriggers, a dynamic transcendental equation is obtained from the combination of the GRS and dynamic stiffness method. The structural responses can be calculated through the Fourier transform based on this equation. Moreover, the GRS can also be blended into a finite element (FE) model to generate an augmented state‐space equation for the analysis of the dynamic characteristics and structural responses. Applications to various outriggers are illustrated. In the numerical analysis, good agreements are found between the GRS and the FE that validates the proposed method, and the performances of various outrigger systems are evaluated parametrically. As the results of a tall building with multiple damped or undamped outriggers, the proposed method is capable of providing an optimally parametric design with respect to the position of outriggers, damping, and core‐to‐column and core‐to‐outrigger stiffness ratio. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

具有水平加强层高层钢结构的动力特性及抗震性能分析

高层钢结构自身刚度较小,水平荷载起控制作用,设置水平加强层可以控制其变形。本文运用大型通用有限元软件ANSYS,建立三维计算模型,对北京某一高层钢结构进行动力特性分析。通过模态分析,得到了该结构的振型和周期,然后进行了振型分解反应谱分析,最后采用3条地震波,对该结构进行弹性时程分析。通过分析表明,水平加强层可以减小结构的最大位移和层间位移角,但加强层附近存在薄弱层,需要设计人员注意。用ANSYS作校核计算,能为结构抗震设计提供可靠的依据。     

Decision framework for optimal installation of outriggers in tall buildings

Installation sequence of outrigger system, an important structural component of high-rise buildings, is often determined simply based on engineers' experience, posing a threat to the structural safety and stability. This paper proposes a comprehensive decision framework for developing the optimal installation plan for the outrigger system, in which construction simulation and safety analysis of the overall structural system are well integrated. The proposed framework is applied to a super-tall building with a height of 600 m. First, the finite element method (FEM) model of the skyscraper used for construction simulation is validated by field measurements during Typhoon ‘Nida’. Based on the validated FEM model, the lower limits (earliest) for installing the outrigger system are obtained through the outrigger trusses' safety analysis for the service stage of the building, while the upper limits (latest) are determined through the analysis of structural stiffness and global stability for the construction stage. Thereupon, a rational plan is established for installing the outrigger system into the skyscraper, and the viability and efficiency of the proposed decision framework are examined by analyzing the construction simulation models. The outcomes of this study are expected to be of use and interest for structural engineers and researchers involved in construction management of installing outriggers into high-rise buildings, and therefore provide valuable implications for other similar projects.     

首层架空层转换结构的侧向刚度控制参数探讨

通过一系列在首层架空层设置转换层的高层建筑的有限元分析,对楼层侧向刚度比、等效剪切刚度比和等效侧向刚度比三种转换层结构侧向刚度控制参数进行了探讨。讨论了在不同首层层高条件下,转换层下部结构侧向刚度改变对这三种侧向刚度比控制参数的影响。结果表明,首层层高较高且与相邻层层高相差悬殊时,楼层侧向刚度比和等效剪切刚度比容易大幅度超过现行规范限值,但并不能由此判断转换层下部结构侧向刚度严重不足。这种情况下,等效侧向刚度比较好地体现了转换层上下结构的侧向刚度关系,宜按等效侧向刚度比对结构侧向刚度进行控制,但其上限取值有待进一步研究。     

旋转惯容阻尼伸臂控制体系减震性能研究

旋转惯容阻尼器(rotation inertia damper,RID)具有质量小、阻尼力大的特点,应用于伸臂结构体系时必须考虑其转动惯量的影响。通过研究RID工作机理,推导了RID伸臂控制体系的振动微分方程,并提出了该体系的地震响应简化算法;考虑RID转动惯量影响,研究了结构各参数与地震响应的关系及其对减震效果的贡献。结果表明：RID伸臂控制体系的地震响应简化算法计算结果合理,与有限元法结果吻合较好;RID的质量参数对伸臂位置及阻尼参数的最优值影响甚微,而且对结构地震响应的影响也可忽略;外柱刚度将显著影响伸臂位置与阻尼器参数的最优值,而且当外柱刚度较大时有利于RID的性能发挥;RID伸臂控制体系具有良好的减震性能,即使在RID质量参数较大的情况下,也能保证其阻尼力在等效力中起主导作用。     

水平加强层对筒中筒结构空间受力性能的影响

设置水平加强层可以降低由裙梁柔性导致的框筒剪力滞后效应,增强结构空间受力性能,提高结构抗侧刚度。通过对若干算例进行空间有限元分析,讨论了加强层的刚度、布置状况等对外框筒剪力滞后效应、结构抗侧刚度等的影响,并提出了加强层设置的建议。     

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。     

普利中心结构设计和分析

普利中心主塔楼为总高度300 m的超限高层,采用钢管混凝土柱框架+型钢混凝土核心筒+环带桁架+等效伸臂的混合结构体系。介绍该工程地基基础的设计、结构体系的特点、抗震性能化设计原则和方法、整体弹性计算结果以及罕遇地震作用下的动力弹塑性分析结果。着重阐述设计中的一些关键问题,包括核心筒的剪力墙、外围钢管混凝土钢框架、仅设置环带桁架的加强层、全楼层角部全刚接钢框梁形成的等效伸臂等。     

伸臂刚度对加强层设置位置的影响分析

根据伸臂结构的简化模型和伸臂与外框柱的变形协调条件,考虑伸臂的实际刚度,导出伸臂对核心墙的附加力矩,求得结构顶点侧移。对伸臂位置变化引起的侧移变化与内力突变进行了分析,结合工程分析结果对高层建筑加强层设计提出了一些参考意见。     

巨型混合框架-核心筒结构的性能分析

巨型混合框架-核心筒结构是由巨型型钢混凝土框架、混凝土核心筒与伸臂桁架组成的一种具有多道抗震防线的超高层结构体系.为了有效地提高巨型混合框架-核心筒结构的抗侧刚度和内外筒之间的协同工作性能,可采取以下措施:增加巨型梁的刚度;增加伸臂桁架的刚度;增设巨型支撑.分析结果表明:设置跨越两个楼层的巨型梁或伸臂,或增设巨型支撑,...     

高层建筑结构考虑楼板变形计算的超元法

提出高层建筑结构考虑楼板变形计算的超级单元法,即将每片抗侧力结构视为一根等效柱,楼板视为深梁,整个结构可按固定在地面上的十字交叉梁系,用矩阵位移法进行空间整体分析,自由度很少,计算简便.     

Seismic design of outrigger systems using equivalent energy design procedure

An outrigger system is an effective structural scheme that is commonly used in high‐rise construction to increase the stiffness of concrete core walls and to reduce the moment demand within the walls. Despite the on‐going use of outrigger systems around the world, a formal seismic design procedure is yet available. This paper presents an equivalent energy design procedure (EEDP) to design outrigger systems for seismic applications. Three prototype outrigger‐wall buildings of various heights are designed for Vancouver, Canada. Detailed finite element models are developed to assess the seismic performance of the prototype buildings and to assess the safety using the FEMA P695 methodology. The result shows that EEDP is an efficient method to design outrigger systems which results in structures that can achieve sufficient margin of safety against collapse and satisfy multiple performance objectives at different seismic hazard levels.     

Studies on various structural system design options for twisted tall buildings and their performances

Employing twisted forms for tall buildings is a recent architectural phenomenon. This paper studies various structural system design options for twisted tall buildings and their performances based on lateral stiffness. Twisted tall buildings of various heights and rates of twist are designed with different types of contemporary tall building structural systems, such as diagrids, braced tubes and outrigger systems. The heights of the studied buildings range from 60 to 100 stories, and the rates of twist range from 0° to 3° per floor. As the rate of twist increases, the lateral stiffness of the tower decreases. The stiffness reduction rate caused by twisting is very much dependent upon the structural systems employed for twisted tall buildings. While an emphasis is placed on the structural performance of twisted tall buildings, other aspects, such as architectural and constructional issues, are also discussed holistically. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

高层工业厂房异常振动测试与加固试验

了研究高层工业厂房的异常振动成因与加固方法,采用有限元分析和现场振动测试相结合的方法,建立了高层工业厂房三维有限元模型,进行了高层工业厂房加固前的有限元分析和现场振动测试。针对高层工业厂房作业舒适程度要求严格、采光要求高、加固空间受限等要求,为解决机器设备与高层工业厂房的共振问题,提出了采用短肢剪力墙加固的现场加固方案,并进行了加固前后有限元分析结果和现场振动测试结果的对比分析。结果表明:机器设备安装在工业厂房的高层后,机器设备与厂房共振是造成高层工业厂房异常振动的主要原因;加固后高层工业厂房的强度和刚度得到明显提高,高层工业厂房长度方向固有频率由2.45 Hz提高至5.87 Hz,高层工业厂房宽度方向固有频率由2.94 Hz提高至7.83 Hz,与机器设备沿高层工业厂房水平方向频率不在共振区间,高层工业厂房的加速度和速度振动特性得到改善,取得了良好的加固效果;振动测试结果和加固方法可为高层工业厂房的设计和加固提供借鉴和参考。     

华电集团华中总部基地主楼抗震性能设计

华电集团华中总部基地主楼的两个塔楼在顶部8层(47~54层)连为一体,为"门"形复杂连体超限高层建筑。结构存在楼板不连续、刚度和承载力突变、构件间断、局部不规则等5项不规则项。对主楼进行了抗震性能分析,确定了结构构件抗震性能目标。对主楼进行了小震静力弹性和弹性时程分析、中震和大震等效弹性分析及大震弹塑性时程分析,重点对比了单塔模型与整体模型统计的力学和变形指标的差异、加强层及连体桁架屈服情况,验算了墙肢受力状态,并根据分析结果采取相应的抗震措施,抗震性能达到预期的性能目标C类要求。最后针对地下室顶板开大洞、连体层楼板受力性能、结构抗连续倒塌等做了专门的计算分析与构造设计,结果满足要求。     

钢-混凝土组合扁梁楼盖承载性能有限元分析

钢 混凝土组合扁梁楼盖的采用可以降低结构层高,改善钢结构的防火性能,形成无柱大空间与“无梁楼盖”的建筑效果;组合扁梁楼盖具有良好的力学性能,在多高层结构中,既能做框架梁受力,又能承载楼面的作用荷载;同时深肋压型钢板的采用可以降低楼板自重同时可作为永久模板使用,大大提高施工速度,带来很好的经济效益,在多高层钢结构建筑中有广阔的应用前景。论文采用有限元软件ANSYS建立钢－混凝土组合扁梁整体楼盖三维实体模型。对组合扁梁楼盖在竖向荷载作用下的承载性能、变形特点以及楼板自振频率进行了分析,同时对组合扁梁的有效宽度及肋部混凝土的影响进行了计算分析。分析结果表明：钢－混凝土组合扁梁楼盖具有良好的承载性能并能较好地满足正常使用的要求;肋部混凝土及配筋对楼盖的承载力有较大的影响;楼盖主梁的有效宽度分析应建立在整体模型和试验的基础之上。     

框支剪力墙结构考虑楼板变形计算的超元法

框支剪力墙结构考虑楼板变形计算的超元法 ,即将落地墙及框支墙的上部剪力墙简化为等效柱 ,底部框架简化为等代柱 ,楼板视为深梁 ,整个结构可按固定在地面上的十字交叉梁系 ,用矩阵位移法进行空间整体分析 ,自由度很少 ,计算简便。     

天津现代城办公塔楼抗震设计研究

天津现代城办公塔楼建筑高度339m,采用带加强层的框架-核心筒混合结构体系,为超B级高度超限高层。外框柱为矩形钢管混凝土柱,和伸臂桁架连接的框柱截面适当加大,低区核心筒为型钢混凝土剪力墙。首层层高16.8m,首层核心筒和相邻层采用了钢板混凝土剪力墙,为提高框架刚度首层顶框架梁采用外包钢-混凝土组合梁。首层矩形钢管混凝土柱施工阶段应力较大,对此进行了有限元分析并采用了设置拉杆的措施。介绍了工程的结构体系特点、抗震性能化设计原则和方法、整体计算结果、罕遇地震下弹塑性时程分析结果及地基基础设计。