上海中心大厦巨型框架关键节点设计研究

上海中心大厦主体结构采用巨型框架-伸臂-核心筒结构体系，节点设计是巨型框架设计中的关键环节。介绍了基于性能的节点设计原则，研究了伸臂桁架与巨型柱连接节点、环带桁架螺栓拼接节点两类典型节点。伸臂桁架与巨型柱连接节点，节点区受力复杂，同时承受较大的轴力与弯矩，运用有限元方法对该类节点简化设计公式的适用性进行了验证。研究表明：简化设计公式能够满足工程精度要求，可作为该类节点初步估算的验算公式；环带桁架螺栓节点具有螺栓拼接长度超长、螺栓数量多、构件截面大及拼接板材厚度大的特点，运用有限元方法研究了该类节点的传力机理，并对螺栓拼接节点的安全性进行了考察。研究表明：该类节点满足指定性能需求下的承载力设计要求，螺栓传力呈现两端大，中间小的受力性态，但随荷载的增加螺栓传力不均匀性呈降低趋势；同时研究还表明，螺栓拼接长度较长会改变构件的力学特性。图15表2参7     

某超高层结构关键节点有限元分析

为抵抗水平地震作用和风荷载,某450m超高层采用"巨型框架-核心筒-伸臂桁架"的结构体系。该体系有两种关键节点,巨柱与伸臂桁架节点、核心筒与伸臂桁架节点。文中采用ABAQUS通用有限元分析软件,建立了两类节点的精细化有限元模型,分析了控制工况下节点各构件的应力状态。结果表明两种关键节点均满足中震不屈服的抗震性能目标,且满足强节点弱构件的抗震设计要求。     

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。     

上海中心大厦巨型框架-核心筒结构竖向地震作用反应分析

上海中心大厦主体结构高度632 m,为带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构,其竖向地震作用反应大且较为复杂。巨型框架与核心筒沿高度的质量和竖向刚度分布特性差异较大,两者的相对振动将导致伸臂桁架产生较大的内力;环带桁架具有转换承重和巨柱弹性支承的特性,相对支承巨柱存在更大的竖向振动放大效应。在分析结构重力荷载的竖向分布特性以及结构自振特性的基础上,通过反应谱和时程分析,对上海中心大厦结构在竖向地震作用下巨柱和核心筒的轴重比、伸臂桁架和环带桁架的内力反应以及巨柱、核心筒和环带桁架的竖向加速度反应及分布特点进行分析。结果表明：上海中心大厦结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增加;处于高区的巨柱和核心筒的轴重比约为低区的2.2倍和2.3倍,高区伸臂桁架和环带桁架在竖向地震作用下的轴力占重力荷载作用下轴力的比例约为低区的2.2倍和4.3倍;高区环带桁架跨中竖向加速度反应较相应标高巨柱增大20%。     

上海中心大厦巨型框架-核心筒结构竖向地震作用反应分析

上海中心大厦主体结构高度632 m,为带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构,其竖向地震作用反应大且较为复杂。巨型框架与核心筒沿高度的质量和竖向刚度分布特性差异较大,两者的相对振动将导致伸臂桁架产生较大的内力;环带桁架具有转换承重和巨柱弹性支承的特性,相对支承巨柱存在更大的竖向振动放大效应。在分析结构重力荷载的竖向分布特性以及结构自振特性的基础上,通过反应谱和时程分析,对上海中心大厦结构在竖向地震作用下巨柱和核心筒的轴重比、伸臂桁架和环带桁架的内力反应以及巨柱、核心筒和环带桁架的竖向加速度反应及分布特点进行分析。结果表明:上海中心大厦结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增加;处于高区的巨柱和核心筒的轴重比约为低区的2.2倍和2.3倍,高区伸臂桁架和环带桁架在竖向地震作用下的轴力占重力荷载作用下轴力的比例约为低区的2.2倍和4.3倍;高区环带桁架跨中竖向加速度反应较相应标高巨柱增大20%。     

加强层伸臂桁架-复式钢管高强混凝土柱节点有限元分析

基于巨型框架-核心筒结构体系中加强层伸臂桁架与巨型框架柱连接节点受力的特殊性,提出一种伸臂桁架-复式钢管高强混凝土柱的连接节点形式,运用ABAQUS软件并结合深圳某超高层结构设计,对该节点展开详细的数值模拟分析。研究揭示了该节点的受力机理,并证明其在传力上的可靠性,可为该类节点在超高层结构中的应用提供参考。     

横琴新区十字门国际金融中心大厦伸臂桁架节点受力性能分析

珠海横琴新区十字门国际金融中心大厦超高层塔楼建筑总高336.55m,主要屋面高度300m,采用带加强层的框架—核心筒混合结构体系。本工程结合避难层(31层、44层)共设置两道加强层,加强层采用周边带状桁架和伸臂桁架的形式。为进一步研究加强层伸臂桁架与剪力墙连接部位的受力性能,选取两种典型伸臂桁架节点进行细部分析。在与文献中模型节点试验结果对比验证的基础上,对本工程伸臂桁架两种典型节点进行了非线性有限元分析,重点研究了节点区域构件传力与应力分布特性。分析结果表明,在最不利荷载组合作用下,节点区域型钢处于弹性受力状态,节点核心区混凝土工作性能良好,伸臂桁架节点安全可靠。此外,对节点有限元分析中模型隔离方法与简化、边界条件施加和分析结果判定等需注意问题进行了探讨和总结,为类似工程分析提供参考。     

新型结构体系在深业上城高塔中的应用

深业上城高塔总高度388m,在8个巨柱和核心筒间每层设置刚性连接的型钢混凝土连接梁取代加强层伸臂桁架,是由带状桁架+周边平行双抗弯钢框架梁+型钢混凝土连接梁+巨型框架+核心筒形成的新型结构体系,能有效抵抗由地震作用和风荷载产生的巨大侧向力。设计采用基于性能的抗震设计方法,通过模拟地震振动台试验验证不同地震水准的结构性能及构件损伤情况,并根据分析及试验结果采取适当的构造加强措施,使得结构整体及各构件的抗震性能均可达到预期的抗震性能目标。该结构体系可为建筑高度300m以上的同类超高层建筑避免设置伸臂桁架提供参考。     

超高层结构中伸臂桁架的设计和优化

框架-核心筒结构结合加强层可以形成更大的刚度并抵抗倾覆力矩,结合实际工程应用ETABS软件建立三维模型进行分析,通过对5种不同伸臂桁架的设计方案进行对比,综合建筑需要和结构性能确定了伸臂桁架布置方案。研究伸臂桁架与核心筒之间的传力机理,并设计伸臂桁架。考虑施工次序对伸臂桁架斜撑内力变化影响的同时对伸臂桁架斜撑截面进行优化。     

武汉中心伸臂桁架设计与研究

武汉中心塔楼采用巨柱框架-核心筒-伸臂桁架体系。在设计过程中对伸臂桁架道数、位置、立面形式、截面的确定进行了分析研究;结合建筑、机电的要求进行了伸臂杆件入墙延伸段的设计,并针对不同墙厚条件设计了嵌入式和外包式两种伸臂桁架入墙节点形式;对伸臂桁架杆件与钢管混凝土柱连接的构造方式进行了比选,并结合施工过程分析探讨了伸臂杆件延迟封闭的必要性。最终选用了设置3道伸臂桁架的结构方案并确定了各道桁架的具体做法。     

支撑巨型框架-核心筒结构体系抗震性能研究

以深圳平安金融中心为原型结构,提出支撑巨型框架-核心筒结构体系的概念,并以目前超高层常用的巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构体系作为参照,开展了结构体系的抗震性能对比研究.研究结果表明,在两种结构体系抗侧刚度相近的工况下,支撑巨型框架-核心筒结构体系的用钢量显著降低.罕遇地震作用下,该结构体系的典型屈服路径为核心筒一巨柱→...     

上海中心大厦伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的抗震性能试验研究

在上海中心大厦伸臂钢桁架与柱和核心筒连接单调静力试验的基础上,进行了该连接的抗震性能试验。试验设计了3种不同的反复加载路径,以考察普通循序渐增加载方式和不同损伤累积后再以普通循序渐增加载方式下试件滞回特性和耗能能力的差别。结果表明：在几种不同路径反复荷载作用下,试件最终破坏均发生在伸臂桁架斜腹杆和下弦杆端部,伸臂桁架与巨柱和核心筒连接的节点板塑性应力水平较低,滞回曲线形状饱满,延性较好,满足结构抗震设计要求;伸臂桁架在不同加载路径下的累积塑性耗能引起的塑性损伤对伸臂桁架的滞回性能退化有一定影响,但并不显著;单斜腹杆作为伸臂桁架耗能的主要构件,其累积轴力耗能占伸臂桁架总耗能的70%左右。     

Progressive collapse resisting capacity of building structures with outrigger trusses

In this paper, the progressive collapse potential of building structures with core and outrigger trusses were evaluated using nonlinear static and dynamic analyses. To this end 36‐storey analysis model structures composed of RC core walls and perimeter frames connected by outrigger trusses at the top were prepared. The static pushdown analysis of the structure with mega‐columns and outrigger trusses showed that the maximum strength reached only about 20% of the load specified in the US General Services Administration guideline when a mega‐column in the first storey was removed. According to dynamic analysis results, the vertical displacement monotonically increased until collapse as a result of buckling of some of outrigger truss members. However the structure with outrigger and belt trusses remained stable after a perimeter column was removed. The stability of the structure with mega‐columns and outrigger trusses could be achieved by redesigning it with additional belt trusses or with moment connections in interior or exterior frames. Based on the analysis results it was concluded that the dynamic amplification factor of 2.0 recommended in the guidelines provided reasonably conservative results. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

超高层建筑伸臂桁架“延迟连接”技术在沈阳恒隆广场主塔楼施工中的应用

在水平荷载起控制作用的超高层建筑中,设置伸臂桁架可以提高结构的整体工作性能,从而提高结构的抗侧刚度,控制结构的顶部位移,降低核心筒所承担的倾覆力矩。但是,伸臂桁架在施工阶段,由于内外筒施工不同步,结构布置不对等原因,会导致施工过程中内、外筒的变形存在一定差异,如果盲目施工,将会造成在伸臂桁架内部过早产生较大应力,导致结构成形后整体受力状况与原结构设计模型不符。通过研究,提出一种超高层伸臂桁架"延迟连接"的施工技术。该方法在沈阳恒隆广场主塔楼施工应用的情况表明,可有效解决外框与芯筒不均衡变形导致的伸臂桁架应力过大的问题,确保了伸臂桁架施工和使用阶段的结构性能。     

Shaking table model test and numerical analysis of a supertall building with high‐level transfer storey

The seismic behaviour of a 53‐storey tower with the height of 250 m is investigated in this paper. This supertall building is composed of a reinforced core, two outrigger trusses (a strengthened storey at 20th ～ 21st floor and a high‐level transfer storey at 37th ～ 38th floor) and eight composite (steel‐encased concrete) mega‐columns below the high‐level transfer storey in the exterior perimeter of the building. Due to the discontinuity of the eight composite mega‐columns, they are replaced by 33 upper‐close columns at the 37th ～ 38th level. This paper describes tests performed on a 1/30 scaled model of the building to study its dynamic characteristics and to evaluate its earthquake resistant capacity. The model test results indicate that the prototype structure is able to withstand an earthquake of intensity 7 without severe damage. In addition, a 3D finite element analysis of model structure was carried out and the analytical results were compared with the experimental ones to gain a better understanding of the structural behaviour. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Determination of optimum location for flexible outrigger systems in tall buildings with constant cross section consisting of framed tube,shear core,belt truss and outrigger system using energy method

In this paper, based on maximizing the outrigger-belt truss system’s strain energy, a methodology for determining the optimum location of a flexible outrigger system is presented. Tall building structures with combined systems of framed tube, shear core, belt truss and outrigger system are modeled using continuum approach. In this approach, the framed tube system is modeled as a cantilevered beam with box cross section. The effect of outrigger and shear core systems on framed tube’s response under lateral loading is modeled by a rotational spring placed at the location of belt truss and outrigger system. Optimum location of this spring is obtained when energy absorbed by the spring is maximized. For this purpose, first derivative of the energy equation with respect to spring location as measured from base of the structure, is set to zero. Optimum location for outrigger and belt truss system is calculated for three types of lateral loadings, i.e. uniformly and triangularly distributed loads along structure’s height, and concentrated load at top of the structure. Accuracy of the proposed method is verified through numerical examples. The results show that the proposed method is reasonably accurate. In addition, for different stiffness of shear core and outrigger system, several figures are presented that can be used to determine the optimum location of belt truss and outrigger system.     

外包钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土柱节点的试验研究

外包钢-混凝土组合梁是一种新型组合梁,在负弯矩作用下具有良好的工作性能,其与柱连接节点的构造还有待合理设计并试验验证。采用两种不同的构造形式,设计4个外包钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土柱的连接节点,并对其进行低周反复荷载作用下的试验研究。对节点的破坏形态、滞回曲线、强度、延性和钢筋、钢板的应变等性能进行分析,结果表明:通过合理的构造措施,外包钢-混凝土组合梁与钢筋混凝土柱的连接节点具有较好的受剪承载力、延性和耗能能力,能够满足工程要求。在此基础上对节点的受力机理进行探讨,提出节点核心区受剪承载力的计算公式,计算结果和试验结果吻合良好。     

矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区受力性能试验研究

矩形钢管混凝土组合桁梁由混凝土板和矩形钢管混凝土桁架组成,在竖向荷载作用下,其正弯矩区可充分发挥混凝土板和桁架的组合作用,但负弯矩区的力学性能较为薄弱且受拉混凝土板容易开裂。针对这一问题,提出了在负弯矩区混凝土板施加预应力以及布置局部释放剪切作用的剪力钉相结合的组合桁梁结构形式。采用跨中施加反向集中荷载模拟连续梁支点反力的方法,对2榀承受负弯矩的矩形钢管混凝土组合桁梁进行了静力加载试验,对其荷载-位移关系、裂缝发展规律、混凝土板应变分布、桁梁荷载-应变关系、钢与混凝土界面滑移及承载力进行了分析。还根据组合桁梁的简化力学模型对不同加载阶段的结构特征荷载进行了讨论。结果表明：采用局部释放剪切作用的剪力钉和混凝土板施加预应力的组合桁梁结构形式可有效提高其抗裂性能,但对受弯承载力影响较小;在加载过程中混凝土板的开裂和杆件的屈服导致结构塑性变形增大,最终节点处焊缝撕裂,组合桁梁丧失承载力;由简化力学模型计算得到的结构特征内力与实测值吻合较好,可为矩形钢管混凝土组合桁梁负弯矩区的设计和计算提供参考。