Damping characteristics of friction damped braced frame and its effectiveness in the mega-sub controlled structure system

Based on energy dissipation and structural control principle, a new structural configuration, called the megasub controlled structure （MSCS） with friction damped braces （FDBs）, is first presented. Meanwhile, to calculate the damping coefficient in the slipping state a new analytical method is proposed. The damping characteristics of one-storey friction damped braced frame （FDBF） are investigated, and the influence of the structural parameters on the energy dissipation and the practical engineering design are discussed. The nonlinear dynamic equations and the analytical model of the MSCS with FDBs are established. Three building structures with different structural configurations, which were designed with reference to the conventional mega-sub structures such as used in Tokyo City Hall, are comparatively investigated. The results illustrate that the structure presented in the paper has excellent dynamic properties and satisfactory control effectiveness.

带斜撑巨型框架-核心筒结构协同分析的哈密顿对偶体系

在连续化假定的基础上,将带斜撑巨型框架与核心筒分别等效为底端固定、上端自由的悬臂梁,等效后的悬臂梁具有弯曲刚度和剪切刚度。将楼板等效成刚性连杆,建立带斜撑巨型框架-核心筒高层建筑结构协同分析的计算模型。在哈密顿力学体系下对结构进行分析,导出哈密顿正则方程,采用精细积分法求解结构在侧向力作用下的位移与内力。用这种方法对带斜撑巨型框架-核心筒结构进行协同分析,理论推导思路清晰、过程简捷,数值计算易于编程、精度较高。采用本文方法对带斜撑巨型框架-核心筒高层建筑结构进行协同分析,可以准确把握结构的整体受力性能,在初步设计阶段对结构方案进行试算和快速分析。

天津高银117大厦巨型支撑设计与思考

天津高银117大厦结构高度为584m,高宽比为9.5,是目前国内在建的结构高度最高、最细柔的超高层建筑之一。塔楼采用钢筋混凝土核心筒-巨型框架支撑结构体系。立面巨型支撑跨多层分区布置,且与承重结构分离,底部大堂人字支撑自由长度达48m。针对巨型支撑的特殊布置形式,从概念出发,采用了屈曲约束支撑(Buckling Restrained Brace,简称BRB)代替普通支撑。优化方案解决了超长巨型支撑系统在罕遇地震作用下易屈曲失稳问题,确保了支撑筒的刚度和承载力,为塔楼提供第2道抗震防线,也间接降低了结构造价。缩尺试验结果表明,该工程低屈服强度软钢与常规合金钢混合芯材组成的BRB可以满足设计性能要求。最后,对该巨型支撑的设计要点进行了总结和思考,可为类似工程的设计提供参考。

巨型框架—耗能支撑结构新体系

介绍了现有的巨型结构体系的类型,在吸取巨型框架结构体系和巨型桁架结构体系优点的基础上提出了巨型框架—支撑结构体系.为了提高巨型框架—支撑结构体系的抗震性能,结合当今耗能减震技术的发展而提出巨型框架—耗能支撑结构新体系,并指出该体系在设计和应用中应深入研究的若干问题.

预应力巨型支撑—钢框架结构初始预拉力取值准则

目的研究新型结构形式——预应力巨型支撑-钢框架结构体系的工作机理,获得其初始预拉力取值准则.方法采用SAP2000建立典型算例,逐步增大初始预拉力,模拟了预应力巨型支撑参与工作的整个过程,并进行理论分析.结果预应力巨型支撑可以使结构整体产生与外部水平作用相反方向的侧移,从而减小结构的整体侧移,提高结构抗侧刚度;特定方向的外部作用下受压预应力巨型支撑对提高结构抗侧刚度起反作用,但实际工程中外部作用方向不定,应设置x型支撑.结论初始预拉力以在外部作用下受压预应力巨型支撑剩余拉力接近零为准则.

巨型钢框撑—混凝土核心筒结构的性能分析

巨型钢框撑—钢筋混凝土核心筒结构是由巨型钢框架、巨型支撑、钢筋混凝土核心筒和伸臂桁架组成的一种具有多道抗震防线的新型超高层结构体系。为了研究这种新型结构体系的性能,首先建立了巨型钢框架—钢筋混凝土核心筒结构模型,在此基础上分析了不同形式的巨型支撑以及去除巨型梁下层次柱对结构模态、侧移及内力的影响。结果表明:设置巨型支撑可以有效提高结构抗侧刚度,减小楼层侧移与层间位移角,增加外框架所承担的竖向荷载、剪力和弯矩,X型支撑形式优于倒V型支撑。移除巨型梁下层次柱后,结构整体刚度下降,侧移增大,但对结构底部剪力和弯矩的分配影响不大。

多腔钢管混凝土柱巨型框架抗震性能试验研究

结合某超高层巨型框架结构工程实际,进行了一榀巨型框架结构底部三个巨型层1/25缩尺模型抗震性能试验研究。该巨型框架的巨型柱为多腔钢管混凝土异形截面柱,巨型梁为钢桁架梁,底部巨型层加设人字形箱形截面钢支撑,二、三巨型层加设X形箱形截面钢支撑。通过试验,分析了该巨型框架的滞回特性、承载力、刚度及退化过程、延性和屈服机制。试验表明,该巨型框架的支撑作为第一道防线首先屈服,之后巨型桁架梁上下弦杆进入屈服,最后巨型柱柱底出现塑性铰,实现了多腔钢管混凝土柱巨型框架结构延性屈服机制,抗震性能良好。

预应力技术在钢结构抗侧体系中的创新与研究

预应力技术具有很强的创新潜力,目前预应力技术已广泛应用于横向结构体系,但在竖向抗侧体系中的研究和应用较少.文中介绍了几种预应力技术在钢结构抗侧体系中的应用.着重介绍巨型钢框架-预应力复合支撑体系,该体系中刚性支撑与预应力拉索组合形成封闭、自平衡的复合支撑系统;对其进行三维有限元模型数值分析,包括竖载、水平风载静力分析及地震动时程分析,结果表明复合支撑有效增加了巨型框架的抗侧刚度,缓解了巨型桁架节点、构件受力集中现象.同时介绍了预应力巨型支撑-钢框架结构、预应力门式刚架及预应力梁柱连接.

巨型框架-支撑结构的非线性地震反应分析

巨型框架-支撑结构体系是一种新型的巨型结构体系,是在吸取巨型框架结构体系和巨型桁架结构体系优点的基础上被提出的。对巨型框架-支撑结构进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析。结果表明,巨型框架-支撑结构的动力性能优越,是一种高效的巨型结构体系。

巨型钢框架预应力复合支撑体系性能初探

为研究悬挂式巨型钢框架-预应力复合支撑体系的结构性能,基于工程实际,建立该体系的三维空间模型,运用非线性有限元方法对该结构进行了竖载静力分析、风载静力分析、模态分析以及地震动时程分析,结果表明,新型复合支撑有效改善了巨型梁的竖载受力性能;水平荷载作用下体系侧移曲线总体呈弯曲型,层间侧移曲线则呈现周期性变化;体系存在密集模态成组及特征相似模态成对现象;附加阻尼有效降低了体系地震动反应,还有效克服了悬挂端位移太大的问题。

基于B3模型的竖向构件差异变形分析

为研究巨型框架伸臂核心筒结构中由收缩和徐变引起的巨柱和核心筒的竖向差异变形,基于B3收缩徐变模型,采用应变增量法进行MATLAB编程,模拟荷载逐层施加的实际施工过程。对某一巨型框架伸臂核心筒结构进行了研究,考虑施工过程、混凝土收缩和徐变影响,对高层混凝土结构构件在竖向荷载作用下的竖向变形进行了计算;计算构件在楼板施工前后巨柱和核心筒的弹性、非弹性缩短以及竖向差异变形;进行了差异缩短变形分析,采用逐层修正法进行补偿。结果表明:考虑重力荷载、混凝土收缩和徐变时,巨柱和钢筋混凝土筒由收缩和徐变产生的非弹性变形占总变形的50%以上,且该比例随时间呈增大趋势;巨柱和核心筒的收缩变形远小于徐变变形,收缩和徐变变形最终趋于一定值;楼板施工结束时竖向变形近似相等的构件,在楼板施工后一定时期的竖向差异变形很大;若顶层楼板施工结束时荷载全部施加完毕,则楼板施工后的最大竖向变形值出现在中间某一层;对于有具体要求的特殊结构,采用逐层修正法可降低差异变形在伸臂桁架中引起的附加内力。

天津高银117大厦塔楼结构设计综述

天津高银117大厦塔楼结构大屋面高度596m,高宽比9.5,为目前中国在建结构高度最高的超高层建筑。主要介绍了塔楼的结构布置方案、基础设计、主要构件和节点设计以及施工措施的影响。塔楼采用巨型框架支撑筒-钢筋混凝土核心筒抗侧力体系,保证结构刚度和构件承载力满足规范要求。采用超长钻孔灌注桩和6.5m厚筏板作为结构基础。沉降分析及观测结果表明,结构封顶4.5年后最大沉降值约100mm。巨型钢管混凝土柱截面积达45m2,尺度较大,试验结果表明巨柱截面仍满足平截面假定。对巨柱复杂连接节点进行了有限元分析和试验研究,在保证安全性的基础上优化了节点构造。通过施工模拟,分析了施工措施对主体结构的影响,并给出了核心筒领先施工的高度建议。

预应力巨型支撑-钢框架结构中钢框架基础抗侧刚度研究

目的研究新型结构形式———预应力巨型支撑-钢框架结构体系中钢框架所须具有的基础抗侧刚度以及钢框架与拉索的最佳匹配范围.方法理论分析后采用SAP2000建立不同结构尺度的二维结构模型,变化框架相对抗侧刚度,进行几何非线性有限元分析.结果钢框架所须具有的基础抗侧刚度大致为2.5倍的层间位移角设计目标值所对应的抗侧刚度;当钢框架的抗侧刚度大致为2倍的层间位移角设计目标值所对应的抗侧刚度时,配以相应的巨型支撑后,预应力巨型支撑-钢框架结构的整体用钢量最省.结论预应力巨型支撑-钢框架结构体系中,钢框架与拉索各提供设计要求的抗侧刚度值为50%时,技术经济效果最佳.

拉索直径对预应力巨型支撑-钢框架结构抗侧性能的影响

通过有限元建模分析,研究了拉索直径对预应力巨型支撑-钢框架结构抗侧移性能的影响;着重研究了拉索直径、预拉力和最大层间位移这几个参量之间的相互关系,并推导了最大层间位移关于拉索直径的拟合公式。经算例验证,该公式具有较好的适用性和精度。文章的相关研究结论可为预应力巨型支撑-钢框架结构拉索直径的优化提供参考依据。

预应力巨型支撑-钢框架结构抗侧移性能研究

在当前的工程建设中,预应力钢结构以其技术先进、经济合理、安全适用,应用前景广阔。本文利用有限元分析软件SAP2000研究对比了预应力巨型支撑-钢框架结构与纯钢框架结构、巨型支撑-钢框架结构的抗侧移性能;从集中荷载模式和均布荷载模式两方面对预应力巨型支撑-钢框架结构的侧移模式进行了分析;并运用数值模拟手段研究了支撑的预应力与结构抗侧刚度的关系等关键问题,并得出了相应的结论,可为预应力巨型支撑-钢框架结构的设计和加固提供一些参考依据。

巨型钢框架复合支撑体系的拉索预拉力预估理论

如何确定拉索预拉力是巨型钢框架-预应力复合支撑体系的关键问题。首先基于拉索作用建立拉索预拉力的确定准则,然后依据简化的弹簧模型,详细推导了竖向荷载和预拉力作用下,复合支撑内力增量方程,最后基于预拉力确定准则和结构变形叠加原理建立了拉索预拉力的确定理论。研究表明,拉索预拉力应确保竖向荷载作用下复合支撑内力增量平衡,并确保最不利工况下拉索具有剩余拉力;拉索预拉力必须从顶部大层往下逐层求解;建立的预拉力确定理论可为巨型钢框架-预应力复合支撑体系的初步设计及定性评判奠定理论基础。

巨型框架-耗能支撑结构的减震性能分析

对巨型框架-耗能支撑结构新体系进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,研究该体系的减震性能和耗能支撑的不同布置方式对结构的减震效果。结果表明:如果耗能支撑布置位置得当,可以用较少的耗能支撑个数达到较好的减震效果;巨型框架-耗能支撑结构不但可以减少原巨型框架-支撑结构的层间侧移,还可以减少其底部剪力和顶层加速度反应的峰值。

巨型钢框架—预应力支撑体系预拉力取值准则试验

目的研究巨型钢框架—预应力支撑体系的工作机理,获得其预拉力取值准则.方法进行室内模型试验,在不同的初始预拉力下,对模型进行横向加载到额定荷载,记录加载过程中受压索传感器示数为零时对应的外荷载和此时受拉索的剩余索力,以及相应的顶点侧移.结果巨型钢框架—预应力支撑可以减小结构的整体侧移,提高结构抗侧刚度;初始阶段,结构抗侧刚度随拉索预应力增大而增大,当拉索预应力增加到一定程度时,结构抗侧刚度几乎不变;预拉力以在外部作用下受压预应力支撑剩余拉力接近零为准则.结论验证了竖向预应力钢结构体系拉索预拉力取值一般准则的正确性:使得结构在外荷载作用下,受压最大的拉索剩余拉力接近于零.

巨型斜撑在超高层建筑中的设计对比分析

巨型斜撑框架结构是超高层建筑高效的抗侧力体系之一。巨型斜撑作为关键构件可显著提高外框筒刚度,二道抗震防线作用显著。通过对比深圳平安金融中心、天津高银117大厦、沈阳宝能金融中心T1塔楼和中信大厦四栋建筑高度500m以上超高层巨型斜撑的设计,从巨型斜撑的布置形式、与次框架的关系、计算长度以及关键节点设计等方面对四栋建筑进行了对比分析。结果表明,由于单斜撑的非对称性,会使结构产生X向和Y向的耦合平动,改变最不利地震作用方向。巨型斜撑与次框架的连接主要改变传力路径。楼板对巨型斜撑的约束作用显著,在确定巨型斜撑的计算长度时,应考虑楼板的侧向约束。在轴力作用下,巨型斜撑节点的不对称加腋会增大板件应力,设计中宜避免。

巨型钢框架复合支撑体系拉索直径确定方法

拉索直径的确定是巨型钢框架预应力复合支撑体系的关键问题之一。通过分析水平荷载下预应力复合支撑的力学机理,找出了拉索直径的决定因素,基于此提出其取值准则,并通过理论推导最终建立拉索直径的确定方法,进一步通过基于工程实际的数值算例进行了验证。反对称荷载下的不平衡,只能采用反对称手段调平,巨型钢框架预应力复合支撑体系拉索直径由水平荷载决定,以复合支撑内力平衡为取值准则。建立的影响系数迭代调平方法确定拉索直径能够考虑上下层之间的相互影响,具有良好的精度和可操作性。