连体高层论文

连体高层论文（精选5篇）

连体高层论文 篇1

连体建筑结构因其在建筑效果、使用功能多样性、节省土地使用面积等方面的优越性,越来越得到广泛的应用。但是连廊将塔楼连接在一起,协调塔楼受力,连廊自身受力状况复杂。同时由于塔楼受到连廊作用,塔楼之间产生耦合作用,其受力较单塔楼相比更复杂。

1 多塔楼结构分析模型

常用的连体结构分析模型主要有4种:串并联质点模型、串并联刚片模型、分段连续化模型和三维空间分析模型[1]。

串并联质点模型适用于平面较为规则、双轴对称的塔楼结构,仅考虑两个正交水平方向上的自由度,不考虑结构的扭转自由度,采用串并联质点模型,此时每层质量集中为一点,每层位移只考虑X,Y两个平动分量。

当考虑高层结构平扭耦联振动时,可采用串联刚片模型。每层看成一刚片;每层质量集中在刚片上,形成串并联刚片系层模型。该模型中,每个刚片具有三个自由度、两个正交的水平位移X,Y和转动角位移θ。本模型适用于对称连体结构、不对称连体结构在双向地震作用和单轴对称连体结构在非对称方向地震作用的情况。

由包世华和王建东等提出的基于解析法的分段连续化的串并联模型把塔楼看成竖直的悬臂连续梁,连廊看成是平放的深梁,考虑弯曲、剪切和轴向变形的影响。在不考虑楼板刚度时此种方法使结构的计算得到简化,但精度和通用性相对于有限元较差。

三维空间分析模型可以不考虑刚性楼板假定,按三维空间模型对高层进行分析。该模型可以反映所有单元的全部自由度影响。这种模型计算量最大,误差最小。

2 多塔楼结构的水平地震分析

文献[2]采用串联刚片模型,通过对带有对称大地盘双塔结构的高层建筑结构动力特性的分析研究,证明在地震作用下这类结构存在五种基本的振动形式,反对称振型的水平地震参与系数为0,对结构位移、内力没有贡献。文献[3]用串联质点模型分析大地盘多塔结构,对称和不对称分析双塔结构振型特征,对称双塔结构与文献[2]一致。当双塔不对称时,文献[2][4]和[5]的分析表明塔楼与裙房转换处为薄弱层,且在设置连体后,塔楼在连接楼层处的刚度发生了变化,当连体的刚度较大时,此处刚度的突变较为明显,受力较为复杂。

对于双塔连体结构,由于连廊的刚度相对塔楼刚度小,因此在分析时应考虑连廊的弹性变形。文献[6]中塔楼采用质点串联模型,连接各塔楼的连廊按照弹性楼板考虑,分析单塔楼大底盘结构的底盘刚度、高度、承载力等因素对结构地震反应的影响,分析对比了大底盘多塔楼结构与单塔楼结构地震反应的区别。包世华,王建东[7,8,9]采用分段连续化方法,分析了连体结构的动力特性。

连体结构振型复杂,高阶振型影响可能很大,如何确定计算地震作用时考虑振型的数量,文献[10]提出了确定连体结构抗震分析选取振型阶数的方法。文献[11]针对复杂结构的各阶模态在地震反应中贡献悬殊,提出了基于模态参与因子的模态分析方法,以便于分析结构的动力特性和采用反应谱方法时结构反应的分析计算。

3 连体结构竖向地震分析

震害分析表明连廊在竖向地震作用下可能发生严重破坏[12]。文献[13]考虑连体结构在竖向地震作用下的计算,并把多条地震波弹性时程计算结果的平均值进行分析比较。作者总结结论:随着桁架与塔楼频率比的增加,连体地震作用的放大效应越明显;当连体与塔楼质量比较小且两者频率相近时,连体地震反应进一步加强。现行抗震规范的重力系数法对于文中研究结构并不完全适用。文献[14]对某连体结构的连廊在竖向地震作用下作了分析,得出连廊受竖向地震作用影响并不大。

4 弹塑性时程分析和地震波入射方向对结构的影响

连体结构在多数情况下是平面不规则的,引起结构质量、刚度和强度中心相互偏离导致结构在地震作用下产生扭转耦联,对结构抗震非常不利。

文献[16]分析了计算双向地震与单向地震的差别。有一些研究者通过改变单层结构抗侧力构件、质量、刚度和强度分布,研究发现按照规范中条文可能低估这些平面不规则结构地震反应如文献[17]和[18]。但是这些研究中所采用的地震波仅仅是沿结构主轴方向相互正交的水平地震波。

文献[15]比较了水平任意向地震输入对连体结构的影响,证明有连接时结构的扭转变形不可忽略,最后就连接装置中各参数对扭转反应效果的影响进行了分析。

文献[19]研究了高层结构在不同地震波输入角度的弹性地震响应,证明不管是在双向地震还是单向地震作用下,SRSS法可能低估结构的最大地震响应。文献[20]还发现结构弹性地震作用最大方向与弹塑性地震作用最大方向并不相同。

文献[21]考虑双向地震作用,选取了30组地震波分别对5组基本不同频率的结构进行弹塑性时程分析,证明结构最大延性比、楼板转角和层间位移不是在地震波输入方向为结构主轴方向时发生。一般而言,延性比和层间位移可能低估65%,而对于特定的地震输入方向而言,可能低估500%。

5 结语

连体结构结构布置和动力特征比一般的高层结构更加复杂,关于连体结构的研究在以下几个方面还有待进一步深入:1)不对称连体结构振型分析。前面关于连体结构动力特征分析主要针对对称连体结构,对于不对称连体结构的动力分析还不多。2)竖向地震对于连体结构连廊部分影响可能并不大,但是规范上采用的方法可能低估连廊的竖向地震作用,在研究设计时这点值得更进一步考虑。3)地震输入角度对不对称结构的影响很大,特别是在结构进入弹塑性状态以后,非主轴方向输入的地震波可能比从主轴方向输入的地震波的影响大几倍。

摘要：介绍了高层建筑结构尤其是连体结构分析模型,总结了国内外的复杂高层结构动力分析成果和研究现状,提出了几个有待进一步研究的问题,并指出连体建筑结构因其建设、使用功能等方面的优越性,得到广泛的应用。

关键词：连体结构,动力分析,地震输入方向

谈某高层连体连廊安装方案 篇2

本项目包括一幢29 层的门式办公楼,一幢4 层楼高的零售商场( 高度22 m) 和用于停车和零售的4 层地下室,4 层地下室的深度为18 m。办公楼的建筑面积为110 000 m2,零售商场的建筑面积为32 880 m2,总建筑面积为263 380 m2。办公楼为连体结构,下部为两个独立的钢筋混凝土框筒结构,平面为矩形,框筒柱网轴线尺寸约为42. 5 m × 42. 5 m。外框柱采用型钢混凝土柱,框筒之间距离为25. 5 m。23 层至屋面层为连接层,采用钢结构连接。办公楼屋顶高度为135 m。其标准层结构布置如图1 所示。

2 连廊安装特点

2. 1 结构特点

本部分钢结构为办公楼23 层至屋面层的连接层,共计8 层,对应标高为103. 5 m ~ 135. 0 m( 如图2 所示) 。楼层为主次梁结构,主梁跨度为25. 5 m。除第29 层通过短柱支撑在第28 层以外,其余楼层由于建筑功能限制,各楼层间均未设置柱或支撑,这使得各楼层相对独立地分层受力,只在端部通过8 根劲性柱连接起来。本部分所有梁均为H型钢梁,最大截面为H2 000 × 800 ×40 × 80。

2. 2 整体提升优点

针对其特点,采用分层地面拼装,然后整体提升的施工方案。此方案有如下几个优点:

1) 连接层构件截面大,单根构件最大重量达40 t,采用塔吊吊装施工队塔吊的起吊能力要求高,高空对接点相对整体提升增加很多,安装精度难以保证。

2) 连接层作为办公楼两塔楼的联系部分,为受力敏感区和薄弱区,如何保证焊接质量是施工的关键问题。相对于其他施工方法而言,采用整体提升,除了与塔楼的端部连接为高空焊接外,其余的连接都在地面进行,保证了焊接质量和结构的整体性。

3) 大大缩短了施工工期。

3 液压提升系统

3. 1 液压提升油缸的构造及工作原理

提升油缸是计算机控制整体提升技术的核心设备,液压提升油缸为穿芯式结构,由提升主油缸及上、下锚具组成,钢绞线从天锚、上锚、穿心油缸中间、下锚及安全锚依次穿过直至底部与被提升构件通过地锚相连接。其工作原理为: 提升油缸运行过程中,当上锚夹紧钢绞线,下锚松开,油口A进油则活塞通过上锚带动重物上升至主行程结束。然后将下锚夹紧钢绞线,B口进油,缩缸松上锚,完成空载缩缸,直至主行程结束,便完成一个行程的重物提升。如此循环,便可实现重物提升到预定的高度。油缸的上下锚具的松紧由各自的小油缸控制。提升油缸构造图见图3。

本工程中钢结构最大提升重量约为210 t,钢结构桁架共设3 组提升吊点,提升重量取1. 5 的安全保障系数; 通过计算,3 组吊点提升力分别为58 t,23 t,30 t,根据提升力要求每个吊点配备12 根钢绞线。钢绞线作为柔性承重索具,采用高强度低松弛预应力钢绞线,直径为15. 24 mm,抗拉强度为1 860 MPa,破断拉力为26. 3 t。液压提升器中单根钢绞线的最大工作荷载为: 58 t /12 =4. 83 t。单根钢绞线的荷载系数为: 26. 3 /4. 83 = 5. 4。

根据规范和工程经验,配置6 台TJJ-2000 型提升器,液压提升器工作中采用如上安全系数是安全的。

3. 2 导向架的安装

在提升器提升或下降过程中,提升器顶部肯定余留钢绞线,如果余留的钢绞线过多,对于提升或下降过程中钢绞线的运行及提升器天锚、上锚的锁定及打开有较大影响,所以每台提升器必须配置好导向架,方便提升器顶部余留过多钢绞线的导出顺畅。导向架的导出方向以方便安装油管、传感器和不影响钢绞线自由下坠为原则。导向架横梁离天锚高约1. 5 m ~ 2 m,偏提升器中心5 cm ~ 10 cm为宜,具体可在现场用角钢或脚手管架临时制作。

3. 3 地锚的设计

每一台提升器对应一只地锚。地锚安装在主梁上翼缘板上的下吊具内,要求每台地锚与其正上方的提升器竖直对应。地锚与下吊具使用压板固定时,应与下吊具留有一定空隙,使地锚可沿圆周方向自由转动,钢绞线与孔壁不致碰擦。

3. 4 钢绞线的安装

每根钢绞线长度约110 m,提升器内各穿12 根钢绞线,6 台提升器共计72 根钢绞线。提升器固定在提升梁上。钢绞线利用塔吊把钢绞线吊起,从下往上穿入液压提升器内,在顶部安全锚上用卡扣或锚片锁紧钢绞线,等每个提升器含钢绞线穿完后把上下锚锁紧,再拆除临时所用的卡扣和锚片。每台提升器顶部余留的钢绞线应沿导向架导向置于屋顶平台上,便于提升或下降过程中钢绞线“移动”的顺畅。

4 连廊提升仿真分析

4. 1 提升架布置

连廊钢采用整体提升方法安装就位,在屋面塔楼两侧各布置3 个提升点,提升点的位置即是提升架的布置位置,布置如图4 所示( 其中圆圈处为吊点位置) 。

4. 2 提升仿真分析

本次分析采用大型有限元分析软件sap2000 v14 版本进行吊装分析验算,为考虑安全,自重乘数取1. 2,共做三次提升分析。

第一次提升: 30 层钢结构,该层的钢结构重量最大,为210 t;第二次提升: 28 层、29 层钢结构两层一起提升,重量为139 t; 第三层提升: 27 层来单层提升,重量为115 t。三种工况的模型及变形图见表1。由于纵向主梁的跨度为25. 5 m,故在地面拼装分为两段,需要在跨中连接处设置预起拱。根据sap2000 的计算可得出在竖向的预起拱值,各榀主梁预起拱位置见图5,预起拱值见表2。

5 结语

钢结构连廊因其自重轻、抗震能力强等特点被人们广泛应用于高层连体建筑中,而整体提升不仅保证了结构的焊接质量和整体性,还大大缩短了施工工期。本文详细阐述了整体提升施工工艺流程、液压提升系统控制原理及详细措施,并对施工全过程分阶段进行仿真分析,对各阶段的受力及变形进行评估,为关键构件预起拱提供准确数据,确保工程顺利安装。

参考文献

[1]GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

连体高层建筑结构工程实例 篇3

本工程杭政储出[2008]40号地块商业办公用房位于杭州市西湖区古墩路以西,莲花街的南北两侧,分南北两块地块。其中北区块由1#,2#,3#楼组成,地下两层,局部设地下一夹层,地下二层为汽车库兼战时核6级人防,地下一层及地下一夹层为商业用房、自行车库及部分设备用房。其中2#楼地上九层,由两条南北向板式楼在七至九层支撑一块东西向体块的楼,形成扭转的空间“门”式造型,造就了结构的连体形式。东西两板楼一、二层及部分地下一层为跃式商业用房,三至九层(包括中部七至九层连接体)为办公用房,两板楼西北与东南两侧分别在六层设有大面积的空中花园,地块室外中央为湿地绿化景观,其效果图详见图1。基础均采用钢筋混凝土机械钻孔灌注桩(泥浆护壁),设承台及基础梁板,并设贯通地下室底板、侧壁、顶板的施工后浇带。场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,场地土类别为II类;抗震设防类别为两类;基本风压Wo=0.45KN/m2;地面粗糙度为C类;基本雪压So=0.45KN/m2。

2结构布置

2.1结构体系本工程东西两楼长度达100多米,另外因连体结构抗扭刚度较差,容易产生扭转变形,扭转周期若与平动周期较接近,容易引起耦合共振,对结构抗震性能不利。为此根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第8.1.1条,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)以下称为《高规》第10.5.1条“连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型、平面布置和刚度”规定以及根据建筑布置和以往的工程经验结合以下计算分析,本工程东西两楼分别在轴自地下室顶板以上设抗震缝,将结构平面分成(1)~(5)个塔楼,详见图2。

同时调整连体结构的布置,尽量使刚度中心与质量中心重叠,使扭转周期与平动周期避开。本工程抗侧力体系采用框架剪力墙结构,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)以下称为《抗震规范》第6.1.2,6.1.3条规定,框架抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为三级。塔楼(1)(2)在与支撑连接体牛腿及牛腿梁直接相连的下部两侧楼电梯间布置600mm、400mm厚的剪力墙,牛腿支撑柱(1200×1200),(800×800);其余剪力墙厚取250mm,框架柱(900×900)~(600×600)遂楼层逐步缩小;框架梁一般取(400×550),次梁(250×450),楼板厚正常取120mm。连体剖面图及各层结构模板平面图详见图3~图7。

各层层高和构件混凝土强度等级详见图3构件受力主筋均采用HRB400fy=360N/mm2,箍筋采用HPB300fy=270N/mm2和HRB335fy=300N/mm2,预应力钢绞线fptk=1860N/mm2。

2.2连接方式连接体与两端塔楼连接形式的确定至关重要,其连接形式一般根据建筑方案与结构布置来确定,有刚接、铰接、滑动连接等形式,根据连接形式的处理方式可分为强连接方式和弱连接方式两类,本工程连接体(塔(3))平面尺寸约19米×28米,与两端连接塔楼(塔(1)、(2))纵向轴线斜交,同时两端塔楼设有楼、电梯间,采用桁架或大梁刚接方案,连接体结构的主要构件(桁架上下弦等)不能有效伸入两端支撑塔楼,不能满足《高规》第10.5.4条规定;采用层层连接,建筑功能、层高不允许。因此在方案设计阶段经过多种连接方式的经济技术比较及通过超限高层建筑抗震设防专项审查,最终采用在两端塔楼(塔(1)2-C轴,塔(2)2-D轴)六层柱、墙设外挑牛腿及牛腿梁支撑四根(1000X1900)预应力钢筋混凝土转换大梁弱连接方式方案,详见图5图6。大梁上托七至九层三层框架结构。

3结构计算分析

3.1根据《高规》第5.1.13条,第5.1.14条规定,本工程采用SATWE,PMSAP两个不同力学模型的三维空间分析软件对(1),(2),(3)塔按多塔整体模型和各塔分开的模型分别进行计算,并采用较不利的结果进行结构设计,计算时考虑平扭耦联计算结构的扭转效应,单塔计算时振型数15个,多塔整体计算时振型数取27个,且计算振型数使和振型参与质量之和不小于总质量的90%。并对结构进行水平地震作用小震弹性动力时程分析补充计算,地震波选取按《抗震规范》第2.1.1条和《高规》第4.3.5条,采用地震安评报告中提供的一条多遇地震人工波(BUsevl人),一条实际记录地震波(CUsevl记)以及由SATWE提供的适用于Ⅱ类场地的实际记录地震波(TH2TG035)进行时程分析。考察整体反应时,阻尼比取0.05;考察连接体结构反应时,阻尼比取0.02。

3.2根据《高规》第10.5.6条规定,本工程连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及其上、下层(五至八层),抗震等级提高一级采用,即框架与剪力墙均为二级。

3.3根据《抗震规范》第5.3.4条及《高规》第10.5.3条,本工程连接体结构考虑竖向地震作用。由于本工程连体位置较高,跨度较大,连接体对竖向地震作用比较敏感,为慎重起见,采用三种方法分析竖向地震作用-规范规定的简化计算方法,竖向反应谱和时程分析三种方法分析,最终综合三种分析计算结果进行连接体和连接部位的设计,并考虑竖向地震为主与水平地震的组合,结构各层竖向地震作用计算,反应谱曲线按《抗震规范》第5.1.5条输入,按《抗震规范》第5.3.4条其竖向地震影响系数采用本规范第5.1.4第5.1.5条规定的水平地震影响系数的65%,但特征周期按设计第一组采用,具体设计、计算体现在:(1)连接体主要受力构件-连接体下部预应力转换大梁,以及与其相连接的柱、墙及牛腿牛腿梁按中震弹性设计,并进行有限元应力分析。大梁结构抗震性能目标为A,中震弹性指的是在设防烈度双向水平地震及竖向地震作用与竖向荷载作用效应组合,各分项系数按《高规》第5.6节进行,不进行设计内力调整放大,构件的承载力计算时材料的强度取设计值。(2)连接体主要受力构件同时按大震不屈服验算,其结构抗震性能目标为C,大震不屈服指的是:在罕遇地震(三向)作用下内力按大震进行计算,地震作用效应的组合按《高规》第5.6节进行,分项系数均取不大于1.0,不进行设计内力调整放大,构件的承载力计算时材料的强度取标准值。

4主要计算汇总与分析

4.1弹性阶段周期、位移、内力主要计算结果(表1)计算结果表明本工程在风荷载或多遇地震作用下的最大层间位移角均小于1/800,满足《高规》第3.7.3条规定;在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下,楼层的最大扭转位移比不大于1.5,且结构扭转为主的第一自振周期T1与平动为主的第一自振周期T1之比不大于0.9,满足《高规》第3.4.5条规定;X方向和Y方向的刚重比均大于20,说明结构整体稳定验算满足《高规》第5.4.1条和第5.4.4条规定,且可以不考虑重力二阶效应。

4.2小震弹性动力时程分析结果(图8)以上考虑小震组合的弹性计算分析结果表明;工程各项整体指标均能满足相关规范的要求或未超出规范的限值;墙柱的轴压比和各构件的强度及变形也均满足规范的要求;完全能达到小震作用下“结构处于弹性状态;各构件完好无损伤”的第一阶段的抗震性能目标。

4.3中震弹性及大震不屈服验算(考虑竖向地震)中震弹性和大震不屈服的验算结果表明:在中震作用下,连接体下部四根转换大梁以及与其相连接的柱、剪力墙及牛腿牛腿梁均处于弹性,不出现受剪受弯屈服(主要表现为柱、剪力墙约束边缘构件配筋率略大于1.5%,转换大梁采用预应力);在大震作用下,上述构件其弹塑性位移能满足规范要求。故本工程重要构件能满足中震弹性及大震不屈服,达到不发生剪切破坏的抗震性能目标。

4.4罕遇地震(大震)作用下静力弹塑性(Push)分析(图9)对结构进行罕遇地震(大震)作用下静力弹塑性(Push)分析,是在基于性能的抗震设计方法中,以量化的计算结果来评价结构在大震作用下的情况。分析计算结果可见,结构弹塑性层间位移角满足《高规》第3.7.5条规定,能力谱比需求曲线平滑,没有突变,能够满足“不倒塌,重要构件不发生严重损坏”的抗震性能。(图10-11)

5抗震措施

5.1竖向构件本工程剪力墙除了按《高规》第7.1.4条设底部两层加强部位外,与连接体结构牛腿、牛腿梁直接相连的塔楼(1)2-C轴600mm厚的剪力墙和塔楼(2)2-D轴400mm厚的剪力墙,详见图4,全高度加强,并设约束边缘构件,剪力墙墙肢的轴压比限值(重力荷载代表值作用下)0.6,除满足计算要求外,剪力墙分布筋配筋率取0.8%,约束边缘构件纵向配筋率取1.5%,配箍率取1.5%。与连结体结构牛腿、牛腿梁直接相连的塔楼(1)2-C轴,塔(2)2-D轴柱轴压比限值0.7,其配箍率1.5%,并在五至八层全柱段加密。

5.2局部楼板加强连接体连接转换层(七层)楼板厚为180mm,八层取150mm,支撑连接体两端塔楼(1)、(2)五至八层局部楼板取150mm,详见图4至图7。楼板按双层双向拉通配筋,每层每方向钢筋网的配筋率取0.25%。

5.3加强连接结构两侧的梁为加强连接体连接层(七层)四根预应力转换大梁的整体受力和变形协调,在四根大梁两端设置(1000×1900)的连接梁。

加大连接体两端塔楼2-5~2-8轴六至七层的框架梁纵向受力筋,上下纵向配筋率不少于0.3%,箍筋全梁段加密。

5.4支座节点

5.4.1经过多方面调研、咨询桥梁专家及桥梁支座制作厂家,本工程连接体与两塔楼之间一端采用铰连接,另一端采用滑动连接。支座布置具体如下:塔楼(2)2-D轴在牛腿、牛腿梁面上四根预应力转换大梁下布置一只固定支座,三只X方向单向活动支座;塔楼(1)2-C轴对侧固定支座对应的位置布置一只y方向单向活动支座,三只双向活动支座,详见图5。

本工程支座经桥梁支座制作厂家根据设计院提供的支座作用力及位移通过计算、分析,最终选用球型不锈钢支座(100年不检修),并通过有关部门的技术质量检测。所有支座设计转角为0.02rad,单双向活动支座活动方向设计位移量150mm,非活动方向40mm。虽为活动支座,但对支座位移量及支座转角有定量限制,相当于连接采用带阻尼器的连接方式。

5.4.2根据计算分析及球型不锈钢支座基座要求,为避免连接体滑落及连接体同连接塔楼发生碰撞,对连接结构造成破坏,为此塔楼(1)2-C轴牛腿面宽取1300mm,预应力转换大梁端与塔楼(1)柱、墙边留200mm宽的防震缝,其它层250mm;塔楼(2)2-D轴牛腿面宽取1200mm,预应力转换大梁端与塔楼(2)柱、墙边留100mm宽的防震缝,其它层150mm,详见图5,图12。

6结语

6.1采用球型不绣钢支座的预应力转换大梁连接方式有效削除了塔楼之间的变形不协调。该工程设计满足第3节所述的性能目标“A”“C”的要求,同时也较好满足建筑的功能和造型需要。

6.2必须重视预应力转换大梁及连接支座(牛腿牛腿梁等)混凝土构件在重力荷载作用下的裂缝宽度,挠度控制,适当加大配筋率。

6.3预应力转换大梁为考虑由于施加预应力产生反拱的影响,在计算时把预应力等效成反向荷载输入计算,在施工时,必须待到连接体上部结构恒载基本加上后方可张拉,此前不能拆除转换大梁梁底支撑,这样可避免上部结构加载前后产生一定的挠度变形。

摘要：改革开放以来,随着国力的增强和人民生活水平的提高,建筑业中一种复杂的结构形式-高层建筑连体结构得以大量呈现。一方面通过设置连接体将相邻建筑之间连成一体,方便两楼区域之间联系;另一方面,由于连体结构独特的外形,带来强烈的视觉效果,使建筑更具特色。连体结构由于连接体将不同结构连成一体,体型及结构的受力、变形比一般单体或多塔结构复杂,设计时应重视以下几方面的问题:①扭转效应;②连接体部分及连结节点受力复杂;③连接体与两端结构的连接形式。

关键词：超限,连接体,小震,中震,大震,抗震性能目标,弹塑性分析

参考文献

[1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010.

[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.

[3]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.

[4]《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004.

对高层建筑连体结构抗震设计分析 篇4

关键词：高层建筑,连体结构,设计原则,抗震措施

前言

高层建筑连体结构通过在不同建筑塔楼间设置连接体使其成为一个整体, 连体建筑的外形独特, 具有强烈的视觉效果, 是一种新型的结构形式, 它使得建筑型体更加美观和不拘一格。连接体连接的两端塔楼往往在刚度上有所差异, 且连接体与两端的连接方式的不同对整个连体结构都有影响, 这就导致整个连体结构的刚度分布不均, 因此在受力上比一般的多塔结构更为复杂。而这些也是高层建筑连体结构设计中最为关注的问题。

1 连体结构设计原则

1.1 计算分析及结构选型

高层建筑连体结构作为复杂体型的高层建筑, 它的计算应严格按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3-2002) 规定进行。根据我们国家抗震设防的要求, 应做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计原则。采用弹塑性静力或动力计算时, 应确保结构在罕遇地震下满足“大震不倒”。在建筑体型上表现为各独立部分宜有相同或相近的体型、平面和刚度, 当两端高层塔楼的高度和刚度相差较大, 且抗震设防烈度为7度、8度时, 不宜简单采用强连接方式。在杆件连接上表现为“强节点弱杆件”, 确保节点部分始终处于弹性阶段, 这就要求弹塑性变形集中在连接体杆件内部, 当杆件刚度较大时, 应削弱连接体内部杆件的部分区段, 并使得杆件具有足够的变形能力和耗能能力, 从而保证连体部分的节点安全。

除此以外, 考虑到建筑物自身对地震反应的影响, 可通过减轻连接体结构自身结构重量来减小对地震的反应, 如采用钢结构;也可通过增加连体本身的刚度如采用空间钢桁架体系提高其整体变形协调能力。

2 连接楼体的结构方案的设定

2.1 结构方案的确定

高层建筑连体结构的方案设计应该尽量规则对称, 这样能够有效减少整体受力结构的凸点, 防止造成由点破面的情况出现。高层建筑的抗震概念设计需要考虑多个因素, 包括抗震设计楼层的高度、层数、施工技术和材料以及建筑本身的功能需求等, 从而制定出概念设计的方案。高层结构的抗震需要多重设防, 从节点到构件, 从构件到整个框架, 如选择延展性较好的构件或想办法减轻楼体的重量, 最终需要使整个大楼的抗震能力加强, 对地震的反应具有较强的抵抗力和稳定性, 减小建筑物在地震中的损伤程度。

2.2 楼体性能上的确定

由于高层建筑连体结构自身的功能要求, 一般需要较大的使用空间, 又需要有较大的抗水平力刚度, 而框架结构和剪力墙结构只能满足其某个要求, 因此考虑到房屋使用高度和高宽比要求, 采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构比较适合。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》要求, 框架—剪力墙的结构布置应设计成双向的抗侧力体系, 并尽量使两侧刚度相近, 因此剪力墙应均匀地布置在建筑物的周边, 且应贯通建筑物的全高, 并沿建筑高度逐渐减薄, 避免刚度突变。在框架—剪力墙结构中, 剪力墙的数量应布置适中。若剪力墙布置数量过少, 剪力墙发挥不了抗侧作用, 而框架承担了大部分的水平作用, 这对结构是极为不利的;若剪力墙布置过多, 则会使整个结构的刚度加大, 同时整个结构对地震的反应也会加大, 这对结构的抗震也是不利的, 也是不经济的。

2.3 连接体结构方案的拟定

高层连体结构的建筑中心即为连接体, 连接体将两个具有各自刚度的建筑连成整体, 当两个建筑结构整体对称时, 从受力上讲, 连接体的存在对于楼体不会造成根本上的改变, 连接体对于整个结构的影响很小;当两个建筑结构不对称时, 由于连接体的存在, 会根据各个建筑物的刚度将力重新分配协调, 使得刚度大的楼体受力变小, 刚度小的受力则变大, 在整体的结构性能上也是如此, 因此接连体对于整体的受力和机构上的影响非常大。结构的不对称不仅来自于设计上的不对称, 即使设计完全对称了, 也还是会有很多因素改变它的对称性, 如施工技术、材料、地震振动方向的改变等等。因此在设计中应考虑偶然偏心对建筑物结构的影响。

3 结构抗震的加强措施

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求, 考虑到地震因素的不可计算性和抗震设防要求, 要对整个结构中相对薄弱的部位进行加固。

3.1 塔楼的薄弱部位加固设计

直接与连接体相连的梁并延伸一跨, 将其抗震等级提高一级考虑, 将与连接体直接相连的柱提高一级抗震等级, 并采用钢骨混凝土延伸至顶层, 控制轴压比使其满足规范要求。而连接体的钢梁应伸入塔楼并延伸至第二跨, 如有剪力墙, 则应与剪力墙相连, 没有剪力墙的地方与柱相连。为保证地震时连接体与塔楼的连接稳固, 连接体与墙或柱的锚固要加强。与连接体相连的第二跨的梁端加强抗剪和抗弯的设计;整个楼体的薄弱层加固措施为, 柱箍筋全高加密、箍筋直径加粗, 剪力墙的水平钢筋也适当加强。并且这些层混凝土强度等级不改变;对于结构一般的层柱和墙的配筋, 不在这些层改变混凝土强度等级;对于楼板的厚度加强则在第三层和连接体层, 用150mm厚钢筋混凝土楼板, 双层双向配筋。每层每一方向的配筋率不小于0.30%。

3.2 采用隔震加固法

楼体结构是和地震作用存在着相互作用关系的, 当整体结构周期延长时, 刚度相当于变弱, 这样对于地震的抵抗能力就减弱了。在现在的建筑施工中面对这样的情况, 主要采取的手段就是将周期进行延长作为目标进行加固防震技术, 在这中间最具有代表性的就是铅芯橡胶隔震, 这个方法主要是充分的发挥了铅芯和橡胶高阻尼值和水平表型较大, 并且能够吸收大量震动能量的特点。这样在地震中就可以很好的将地基部分与上层部位有效的隔离开, 使震动能量大量的被吸收, 这样将会使楼体整体的受力相对减弱, 使得上下结构的稳定性得到了加强, 从而在整体上实现了建筑物抗震性能的提升。

3.3 消能减震加固法

结构阻尼与地震作用为反比关系, 因此在工程实践中, 增加结构阻尼可以减小地震反应, 这主要是在结构变形较大的部位设置阻尼器通过消能减震方法来实现。阻尼器使整个建筑结构的阻尼加大, 消耗地震震动能量, 降低了建筑结构在水平、竖直两个方向的地震作用, 利用阻尼器来控制结构在地震作用下的预期变形, 确保建筑物在罕遇地震作用下不出现严重的破坏。

3.4 外加构件法

外加构件法是通过在原建筑结构构件外部增设构件来加强结构抗震承载力和变形能力。外加构件包括构造柱、圈梁、墙体、柱子等。对建筑物中承载力和变形能力不足的构件采用该方法进行加强时应该重点关注新增加的构件对加固后结构整体抗震性能的影响。

4 结束语

无论从构造上还是受力上来说, 高层连体结构都是较为复杂的结构体系, 这就要求我们严格按照规范要求, 考虑多少因素, 制定结构方案包括连接体的方案。计算时考虑弹性、弹塑性分析并采用多种计算模型, 分析对比其结果。加强高层建筑连体结构的概念性设计, 从整体结构上对构造措施进行调整, 采用有效的方法对薄弱部位进行加强, 使结构的整体抗震性能得到提升, 满足建筑的使用要求及抗震设防要求。

参考文献

[1]JGJ3-2002, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]任旭.高层建筑连体结构设计探讨.工业建筑, 2006, S1.

[3]娄荣, 陈威文等.大跨度高位连体结构抗震设计[J].建筑结构, 2012.

[4]江晓峰, 周健等.弱连体结构抗震设计方法在虹桥综合交通枢纽工程中的应用[J].建筑结构学报, 2010.

连体高层论文 篇5

高层建筑具有节约用地, 减少市政基础设施的优点, 很多的高层建筑体形和建筑结构形式复杂多变, 大底盘双塔连体高层建筑即是其中的一种, 此形式的建筑下部结构需要大空间, 轴网稀疏, 侧向刚度小;上部结构需要小空间, 轴网密集, 侧向刚度大, 这与我们合理结构设计布局相反。同时各塔楼采用连廊连接, 使得结构在动力作用下受力复杂。目前主要采用集中质量法简化下的串联并联刚片系层模型分析方法, 但采用了诸多假定。本文采用有限元软件ANSYS和PKPM中的SATEWE模块进行模态分析算, 通过定性定量分析, 找出此类建筑的受力特点和设计时应注意的问题[1]。

2 工程概况

本文采用福建某地的双塔连体带转换层高层建筑, 总高度156m, 地上46 层, 地下4 层, 梁式转换层设置在第7 层, 下部为框支结构, 上部为剪力墙结构, 在37~44 层设置刚接连廊。其中1~7 层层高4.5~5.5m, 框支柱截面为1200mm×1200mm;7 层以上标准层高为3m, 剪力墙厚250~400mm;7层以下竖向构建采用C60 混凝土, 7 层以上采用C50, 水平构件采用C30。

根据《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2010) , 本工程场地类别III类, 地震分组为第一组, 7 度设防, 特征周期为0.45s, 多遇地震影响系数为0.08[2]。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3—2002) , 转换层位于第7 层, 属高位转换;连廊位于37 层, 属高位连廊;总高度156m, 属总高超高[3]。按规定应采用双软件进行补充计算。

3 模型建立

本工程转换层高度5.5m, 转换梁高度为2.4m, 预计梁高对该层刚度影响较大, 又由于高位连廊的存在, 使得动力计算时受力复杂, 应采用具有体单元功能和全振型计算能力软件进行补充计算。故采用PKPM系列软件中SATEWE模块及大型通用有限元软件ANSYS进行分析。

在ANSYS建模时, 框支柱及转换梁采用实体单元Sold45, 精度控制在1m以下, 楼板和剪力墙采用壳单元Shell63, 普通梁采用空间单元Beam188, 精度控制在3m以下;材料弹性模量和泊松比采用《钢筋混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010) 参考数值。ANSYS软件所生成的结构计算模型单元网格见图1a, 体单元生成的框支柱和转换梁见图1b。

在SATEWE建模时, 框支柱及转换梁采用空间线单元, 精度控制在1m以下, 楼板和剪力墙采用完全壳, 普通梁采用空间线单元, 精度控制在3m以下;电梯井部位采用刚性板指定, 框支柱区域对梁单元采用刚域指定, 转换梁采用等刚度分拆为2 条, 以解决上下偏心问题。SATEWE软件所生成的结构计算模型单元网格如图1c所示。

4 模型分析

4.1 模态分析

在建模完成后, ANSYS通过调整各单元质量密度方法, 将重力代表值转化为各结构构件的质量。采用Block Lanczos法进行模态分析, 模型所有构建全部对模态做贡献, 在提取的模态数据中包括了竖向震动和局部震动。SATEWE软件以内部自身构建质量以及输入荷载作为构件计算质量, 采用集中质量法进行模态计算, 由于模型的简化, 提取的模态数据中只有全振型, 不包括竖向震动和局部震动。两个软件分别提取了30 个振型, 前9 个周期数据见表1 和表2, ANSYS前4 个周期振型空间变形图见图2。

从上面的周期计算数据看, 以SATEWE第一周数据为基数, 两个软件差异在10%之内, 数据差异偏大, 但满足工程精确度要求。从第一周期出现方向看, ANSYS模型先出现X方向平动, SATEWE先出现的是Y方向平动。原因如下:

1) 由于ANSYS模型中体单元的使用, 计算的有效层高比SATEWE模型小, 特别对梁高较高楼层影响特别大, 如转换层部位。使得ANSYS模型整体刚度提升, 第一周期变小;

2) 两个软件平动出现不一致, 这主要是SATEWE模型中连梁采用了完全壳, 而壳单元比空间杆单元在单元变形协调时刚度大, 更主要的是X向剪力墙布置长度更长, 使得壳单元连梁将该方向墙体连成非常长的墙体, 大幅度地提升该方向的刚度, 而Y向无法形成连续墙体, 所以刚度提升有限。计算数据就表现为X向周期变短, 第一周期平动方向发生改变。

4.2 结构主轴振型分析

为了更深入了解振型变化, 采用apdl参数化有限元分析技术, 对ANSYS模型中第一周数据进行定性分析。通过每个楼层节点数据的删选和计算, 提取了层间位移角和位移的最大值、最小值、平均值。详见图3。

从位移数据看:底部位移接近, 越往上部离散越大, 这是由于质量和刚度偏心引起的位移累积, 符合一般常规判断。

从层间位移角平均值看:在7 层转换层部位出现明显突变, 这是由于转换层对下部组合竖向结构产生强力约束作用所致。37 层数据突变不明显, 说明连廊对塔楼的约束不是很强。A塔楼顶部出现突变, 这是由于于鞭梢效应原因, 这种变化在高振型中会更加明显, 应引起重视。

从层间位移角最大和最小值看: 连廊部位突变很明显, 这个出现在连廊与塔楼连接部位, 说明连接处有很强作用力, 应引起重视, 特别是普通计算软件由于模型简化原因, 对于水平内力计算有较大缺陷, 建议使用全振型软件重点复合。整体看数据离散性较大, 对于复杂模型建议使用弹性板。

5 结语

1) 从本文模态分析的整体指标数据结果看, 选择不同的计算单元会改变整个模型侧向刚度, 甚至会改变第一周期出现方向, 而体单元运用, 使得底部框架刚度和转换梁嵌固作用提升明显。在用于复杂高层设计时应注意选择合理的计算单元, 若设计软件条件不具备, 建议进行合理设置, 如采用刚域指定, 使模型假定与实际受力相一致。

2) 高位连廊对整体结构水平方向影响不大, 但是对于局部影响非常大, 对于刚接连廊注意两端连接节点强度, 对于柔性连接连廊 (活动支座累) 注意控制位移总量。同时, 建议该类型结构采用全振型软件进行补充计算。

3) 连廊及顶部位移的最大值和最小值突变, 对于顶部应注意某些振型的鞭梢效应, 对于连廊部位建议使用全振型软件, 采用弹性板或者完全壳设计。

摘要：以1栋具有高位连廊的双塔连体带转换层的高层结构为例, 采用ANSYS和PKPM软件对结构进行了模态分析, 并采用apdl技术对振形主轴方向定量分析;详细分析了2种软件不同计算结果的原因, 提出了在设计中对采用梁式转换、高位连廊高层建筑应采用的模型单元及注意事项。

关键词：转换层,双塔连体,单元,分析方法

参考文献

[1]贺明伟.高层建筑中大跨度钢桁架转换层的试验研究与理论分析[D].杭州:浙江大学, 2004.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].