伸臂桁架体系和梯式连梁体系的高层建筑抗震性能评估

卓越的抗震性能一直是高层建筑结构设计不断追求的目标,而抗侧力体系则是实现该性能目标的关键因素。伸臂桁架体系作为目前最常见的抗侧力结构体系之一,广泛应用于各地标高层建筑中。然而,伸臂桁架体系的力学性能受桁架布设位置、拓扑形式、施工工序等因素影响,同时还存在整体结构竖向刚度不规则问题,因此,其实际抗震性能和优化途径值得关注。梯式连梁体系是一种较为新颖的抗侧力结构体系,每一层均设置水平连梁连接核心筒与巨柱,与伸臂桁架体系在某些楼层处形成集中刚度相比,其抗侧刚度分布更加均匀。为了对比上述两种抗侧力结构体系的抗震性能,以一栋80层的建筑模型作为研究对象,利用ETABS有限元程序建立其数值模型,并采用基于性能的抗震设计方法开展计算分析。按沿高度方向共设置4榀伸臂桁架进行设计,综合考虑结构自重、基底弯矩、基底剪力、层间侧移、筒体弯矩等多种因素,明确了伸臂桁架布设位置,分别是17~18层、32~33层、46~47层和62~63层。此外,建立了4种用钢量相同但几何拓扑形式不同的伸臂桁架模型,通过对比整体结构的自振周期以及在多遇地震和设防烈度地震作用下的基底剪力、弯矩和层间位移等地震响应,选取了最优的拓扑形式。在此基础上,利用等效刚度原则建立了梯式连梁体系数值模型,明确了连梁的截面形式和设计参数,确保其与伸臂桁架体系模型具有相同的整体抗侧刚度。采用FEMA 365指南中的构件性能曲线特征值以及性能水准判别准则,选取7组天然地震动和2组人工地震动记录作为输入参数,考虑三向地震作用,分别对伸臂桁架体系模型、梯式连梁体系模型和纯筒体体系模型开展了不同地震烈度下的非线性动力时程分析。计算结果显示:1)在位移响应方面,与纯筒体体系相比,伸臂桁架体系和梯式桁架体系在多遇地震作用下的最大层间位移分别减小了60%和47%,此时两种体系的修正系数R均为1,表明结构处于弹性阶段时伸臂桁架体系更加有效;在设防烈度地震作用下的最大层间位移分别减小了55%和69%,而在罕遇地震作用下则分别减小了56%和70%,此时两种体系的修正系数R分别为3和6,表明梯式连梁体系在结构处于弹塑性阶段时具有更好的延性和地震耗能特性,同时二者的顶点位移响应亦反映出同样的结构变形性能规律。2)在结构内力响应方面,伸臂桁架体系在多遇地震作用下能更加地有效降低核心筒的弯矩,而在设防烈度地震和罕遇地震作用下,梯式连梁体系对核心筒弯矩的降低作用则更为显著,表明在高烈度地震作用下梯式连梁体系能够更为有效地实现整体结构共同受力。3)在结构损伤状态方面,伸臂桁架体系和梯式连梁体系在多遇地震作用下各构件均处于立即使用(IO)性能水准,整体结构处于弹性状态;而在罕遇地震作用下,伸臂桁架体系中部分连梁构件达到生命安全(LS)和防止倒塌(CP)性能水准,相比而言,梯式连梁体系中达到防止倒塌(CP)性能水准的连梁数量显著增加,同时,两种体系中剪力墙构件的损伤状态均以防止倒塌(CP)性能水准为主,且梯式连梁体系中随高度增加,损伤程度稍加严重,但整体塑性损伤分布模式差别不大。由此可见,刚度等效原则更适用于结构在多遇地震作用下的计算分析,而在高烈度地震作用下该方法会导致耗能计算及损伤分布出现偏差,其适用范围具有一定局限性。

变截面框筒结构中最优伸臂层位置研究

针对带钢桁架伸臂层的等、变截面框筒结构,运用遗传算法对伸臂层的最优位置进行了研究。同时,使用Matlab语言编制了基于遗传算法的最优位置优化设计程序。另外,文中对比分析了基于不同优化目标函数(结构顶点位移、层间位移角)与不同形式水平荷载(均布、三角形、抛物线形)的优化结果。最后,以一个高度为260m的带钢桁架伸臂层框筒结构为例,给出了相关的优化结果与结论,成果可为类似工程初步设计提供借鉴。

基于多目标遗传算法的框架-核心筒-钢桁架伸臂结构中伸臂层数量及设置位置分析

由于钢桁架伸臂体系的优点,其在框架-核心筒高层结构体系中被大量使用,然而伸臂层在高层结构中的数量和布置问题对高层结构的性能有着至关重要的影响.在已有简化模型及某一高层结构案例的基础上,运用多目标遗传算法,以结构顶点位移及筒底弯矩为两个目标函数,进行优化设计并得到可供设计者选用的帕雷特解集.另外,应用Matlab开发了基于多目标遗传算法的优化程序.结果表明,与常规设计不同,优化程序最终可给出多个初步设计方案供业主对比及选择.业主主动参与设计机会增加,可提出满足约束条件甚至高于约束条件的性能指标要求,较好地体现了基于性能设计的思想.

上海中心大厦结构分析中若干关键问题

上海中心大厦高632m,采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架抗侧力结构体系,为钢-混凝土混合结构。简要介绍了该结构工程的建筑设计、结构体系特点以及结构整体设计指标,并对计算结果进行分析。针对结构分析中若干关键问题的分析结果:结合规范与建筑功能布局,合理确定了结构活荷载取值;对结构进行了详细的风致响应研究,将风洞试验结果与荷载规范结果进行比较,并探讨了两者之间的差异;对结构进行了详细的地震作用反应分析,确定了性能化目标和地震动反应谱,得到了结构的抗震可靠度;对巨型柱承载力以及延性进行了详细研究,分析了巨型柱钢骨选型的影响因素;对结构用钢量进行了合理优化,并采取了具体的优化措施,可节省钢材12000t;罕遇地震作用下弹塑性时程分析表明,结构能够满足抗震性能化目标,具有较好的延性。

苏州IFC超限高层结构设计中的关键问题

苏州IFC地下4层,地上93层,建筑高度450m,结构体系为巨型框架-伸臂桁架-混凝土核心筒体系,属超限高层结构。除对设计准则、结构体系与弹性分析结果简单介绍外,重点介绍了超高层结构设计的诸多关键问题,如抗震性能指标、框架承担剪力比例、巨柱的承载力设计、风荷载下舒适度与TMD设计等,希望为类似的超高层工程的结构设计提供经验。