强风对高层钢框架结构的影响分析

编辑:【海南康氏力拓空间结构工程有限公司】 更新时间:【2015.08.14】 浏览次数:【1191】
强风对高层钢框架结构的影响分析
      比较研究了高层钢框架结构受不同强度风荷载作用后的位移和内力的变化情况,探讨了高层钢框架结构受不同风荷栽作用后的整体损伤情况,估算了台风对高层钢框架结构的损伤累积值的上限。
      随着经济的发展和科学技术的进步,质量更小、强度更高的建筑材料不断涌现,从而使得高层钢框架结构的刚度和阻尼不断下降,对风荷载的敏感性却进一步增强。高层钢框架结构受风荷载作用所产生的疲劳损伤问题以及由此引起的结构过大反应导致其无法满足正常使用要求等问题日显突出,因此分析强风对高层钢框架结构的影响,对于高层钢框架结构设计和现役高层钢框架结构寿命的预测有着重要的实际工程意义。
      2005年,苏启旺u 3系统研究了既有建筑物产生损伤后,其动力特性诊断参数识别损伤的内在机理和神经网络损伤识别方法。该研究为建筑物的损伤研究提供了理论支持。
      2006年,廖河山等心1铃析了9914号强台风对厦门市各类建筑工程及其附属设施的影响,并总结了此次台风区别于20世纪50-80年代同类台风的新特点;虽然廖河山等总结了建筑物受到台风作用的破坏情况,但是没有深入地分析建筑物的损伤情况。2006年,杨柯等口3基于有限元模型导出了多自由度系统和实测台风数据,对深圳地王大厦进行了非线性数值模拟,并比较和研究了振幅相关阻尼与一系列常数阻尼对各种强度的台风激励下结构响应的影响,杨柯等的工作为超高层建筑的阻尼研究提供了可以借鉴的依据。2007年,王世村等‘4 3采用随机裂纹扩展模型对高耸结构的风振疲劳问题进行了分析,其考虑了平均风速的概率分布和时间相关性对裂纹扩展的影响,并用ZMNL法模拟了相关的平均风速时程样本,而根据MonteCarlo法得出了裂纹长度的概率分布,王世村等对高耸结构风振疲劳问题进行的分析给框架结构风振疲劳问题的分析打下了基础。2008年,俞剑勇等口3结合我国首座海上风力发电项目,就设计中的钢结构疲劳问题进行了分析,为钢结构抗疲劳设计提供了借鉴。另外,张相庭等。6一对风荷载时程模拟以及城市风灾经济损失模型等进行了研究。黄本才等‘63对下游干扰体对上游建筑物的干扰进行了理论和风洞试验的比较研究。
    本文将在以上学者研究的基础上,深入研究强风对高层钢框架结构的影响。对于强风荷载的加载方式和计算方法,本文根据台风的风速时程,按照时间△丁(△丁取10 min)将实际台风的风速时程划分为5个阶段,按照国家规范J 3的要求,再将结构的风振动力响应计算转化为等效静力风荷载的计算。最后,针对高层钢框架结构抗风最薄弱的方向,运用ANSYS分析软件对受到强风作用后的高层钢框架结构进行静力和动力分析,以期分析强风对高层钢框架结构的破坏和损伤情况。
    通过ANSYS分析可以看出,高层钢框架结构受强风作用后:1)当基本风压大于1.2 kN/IT12时结构顶点的侧向位移过大;2)底部总轴向力变化很小,底部总剪力和底部总弯矩随着风压的增大而增大;3)结构整体的损伤值随着基本风压的增大而增大。
1  基础理论、计算方法和结构模型
1.1  基础理论
    风对建筑物具有静力和动力两种作用,静力作用主要为平均风作用于建筑物后引起建筑物变形和内力的重分布,动力作用主要为脉动风作用于建筑物后引起建筑物的抖搌和自激振动。我国规范‘71将结构的风振动力响应计算转化为等效静力风荷载的计算,从而将结构的动力响应计算转化为简单的静力分析。但是规范只考虑极限状态没有考虑强风对建筑物的时程影响。本文根据实际台风的风速时程(图1),按照时间AT(AT取10 min)将实际台风的风速时程划分为数个小的阶段(图2),在每一阶段按照我国规范‘i:的要求将等效静力风荷载施加到高层钢框架结构上。
    根据结构动态特性进行结构损伤诊断的基本原理∞]:结构的模态参数(固有频率、模态振型等)是结构物理特性(质量、阻尼和刚度)的函数,结构物理特性的改变会引起系统动力响应的改变,利用结构损伤前后模态参数的改变可以很直观地进行损伤识别。
    高层钢框架结构的风振疲劳损伤属于随机变幅损伤问题,对该问题的研究以累积损伤理论为基础,即结构在交变应力作用下的疲劳损伤是一个累积的过程,如Miner线性累积损伤理论。通常认为交变应力的每一个循环都将造成一定的疲劳损伤,对于结构受变幅交变应力作用的情况,结构总的疲劳损伤量可以通过把各不同幅值的应力循环造成的疲劳损伤按适当的原则累加而得到。当结构总的疲劳损伤量达到某一数值时就将发生疲劳破坏。
1.2风荷载酌计算方法
    风荷载按照GB 50009 - 2001中规定的方法计算,即垂直于高层钢框架结构表面上的风荷载标准值为:
    对于强风荷载的加载方式和计算方法,本文选取2006年8月10日登陆我国的“桑美”台风为例。9],“桑美”台风登陆时风力17级,风速60 m/s,最大风速75.8 m/s,根据“桑美”台风的风速换算可知其最大基本风压为2. 25 kN/rf12。以“桑美”台风为基础选取基本风压分别为0.6,0.8,1.0,1.2,1.5 kN/rr12的情况,分别设为工况l-工况5用U,Ul,U。,U。,U。表示,按照我国规范‘7 3的要求将等
效静力风荷载施加到高层钢框架结构上。运用ANSYS分析不同基本风压对高层钢框架结构的影响。
    经计算,5种工况下对高层钢框架结构的风荷载标准值见表1,高层钢框架结构的风压见图3。
1.3  结构模型
    目前在办公楼建筑中,高层办公楼一般采用框架承重、填充墙作为围护构件的结构形式。本文选取了一个比较典型的高层钢框架结构办公楼(14层)进行各种工况下的受力分析。具体参数如下:
    1)建筑物结构:楼层层高统一为3.2 m,结构总高为44.8 m.结构总长为37.5 m,结构总宽为16 m。
    2)构件尺寸:在本结构体系中,梁为工字梁,采用统一的截面尺寸:300 mm×300 mm×488 mm×18 mm×18 mm×II mm。柱为箱形柱,其截面尺寸分两种类型:1~IO层为550 mm×550 mm×25 mm×25 mm;;11-14层为500 mm×500 mm×25 mm×25 mm。楼板的厚度为100 mm。
2  工程应用
2.1  风荷载分析
    应用ANSYS软件对建筑物进行静力和模态分析步骤如下:1)以杆系一层模型为基础,选用AN-SYS中的Beam 188单元和Shell 163单元建立结构整体模型;2)根据钢材和混凝土的本构关系定义结构各部分的属性;3)将高层钢框架结构每层的风压值平均分配加于结构柱上,如图3所示;4)对AN-SYS运行的结果进行分析。
2.1.1  风荷载静力学分析
    1)结构楼层位移和层间位移分析。经过AN-SYS静力学分析,风荷载作用后高层钢框架结构层间位移见衷2。根据表2的数据,得出高层钢框架结构受风荷载作用后的各层位移和各层间位移,如图4所示。
    由表2和图4可知,在5种基本风压的作用下,结构层间位移的分布情况相似,结构的最大层间位移都出现在4层,结构第4层的突变最严重;当基本风压为1.5 kN/m-时,结构第4层的层间位移角为o.004,大于高层钢框架结构层间位移角要求的0.003 3。从最大层间位移可以看出,当高层钢框架结构受到强风袭击后结构第4层最容易产生破坏。
    2)基底内力。风荷载作用后对高层钢框架结构底端总内力进行计算,得到基底剪力F、轴力Fx和弯矩M。列入表3。
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