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某超高层建筑位于武汉市汉阳区一线滨江区域,整体造型为下大上小逐渐收分的水瓶型,主体结构高度249m,屋面上设51m高塔冠,地上建筑总高度300m。建筑师要求外框柱贴幕墙边布置,导致塔楼大部分柱均为斜柱,在竖向荷载作用下将对楼面体系产生水平分力,设计中通过在楼面梁设置抗拉钢筋及型钢承担水平拉力。核心筒墙体在17、43层进行了转换收进,通过合理的分析及措施,确保了墙体传力路径的合理性。对主体结构进行了风洞试验并进行了相关论证,减小了设计风荷载,节约了结构造价。对结构进行了施工模拟、收缩徐变分析、墙体有限元分析及塔冠分析,结果表明结构设计安全合理。
由于建筑功能、效果的需要,偏筒结构在高层及超高层项目中数量逐渐增多。位于上海市某280m超高层偏筒结构采用了钢管混凝土柱-钢框架-钢筋混凝土筒体的结构体系。结构设计的主要难点在于筒体偏置导致结构在地震与风荷载作用下产生较大的扭转效应;筒体部分因电梯井道开洞使得最外侧墙体易处于受拉状态,且因质量、刚度不均匀结构在竖向力作用下将产生较大的水平位移。分别对结构的抗扭性能、筒体墙构件承载力、考虑收缩徐变的结构整体水平变形进行了详细的分析,并通过大震弹塑性验证了结构整体及各构件均满足设定的性能目标,保证了结构整体及构件的安全可靠。
大连东北亚国际航运中心总部大厦为超B级高度的超限高层建筑,建筑高度245.8m,建筑造型呈中区大、低区和高区小的梭形,存在跃层构件、斜柱、楼板不连续等三项不规则类型。采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,对跃层构件的屈曲、斜柱转折、干缩与徐变的影响、钢骨梁柱节点和罕遇地震弹塑性分析等进行了探讨,并根据分析结果,对关键和重要构件进行适当加强,在构造措施方面亦进行相应处理。结果表明,整体结构及构件的抗震性能均满足抗震性能目标,项目各项不规则程度得到了有效改善,结构体系合理、安全、有效,保证了项目施工的顺利进行。
中葡商贸中心南侧塔楼为B级高度高层建筑,采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,结构同时存在扭转不规则、楼板不连续、局部穿层柱及斜柱等不规则项。根据结构的超限情况合理选取抗震性能化设计目标,采用PKPM和MIDAS Building两款程序对整体结构进行了小震下弹性反应谱和弹性时程分析,补充了中震弹性和不屈服验算,并采用SAUSAGE程序进行了罕遇地震下的弹塑性动力时程分析。针对楼板不连续、局部穿层柱和斜柱等不规则情况还进行了楼板应力分析、屈曲稳定分析以及斜柱转折处的受力分析。根据结构特点采取了相应的加强措施。分析结果表明,各项指标均表现良好,结构各项性能均能达到预定的抗震性能目标,结构体系合理可行。
出版大厦为框架-双核心筒结构体系,采用YJK、ETABS软件对主体结构进行整体计算对比分析。为了满足建筑功能,针对结构的局部转换提出了3种解决方案,并分别通过有限元软件ABAQUS进行转换区3层框架力学性能分析。结果表明:结构在风荷载或地震作用下,主体结构不仅具有很好的抗震性能,而且能满足较好的经济性;局部转换最终采取斜柱转换方案;斜柱转换在竖向荷载的作用下,受力更加均匀,减少了结构节点区域的应力集中现象;在竖向荷载和水平荷载的共同作用下,由于斜柱对框支柱的支撑作用,转换结构的压应力区域由框支柱与水平梁连接处转移到斜柱与框支柱连接处,使整体性更加稳定,为项目结构设计方案选择决策提供参考。
主要针对某树状高层建筑在结构设计和分析过程中遇到的建筑大悬挑方案的结构实现、竖向力传力路径分析、抗连续倒塌分析、关键构件性能化设计、楼面体系抗拉承载力分析、节点详细有限元分析等关键技术问题进行了分析和研究,与此同时,也对结构的抗风设计、南北侧双核心筒的设置、局部墙体的偏拉、重力二阶效应等技术问题进行了展开并提供了解决方案。结果表明虽该高层建筑存在体型复杂、大悬挑、平面形状不规则、核心筒偏置等难点,但是通过合理的平面和竖向布置,辅之以详尽的结构分析能够保证结构的安全性。尤其是在通过局部斜撑转换较好地实现建筑大悬挑效果的同时,也能够很好地实现竖向荷载的可靠、直接和简洁的传递,分别从依次拆除斜撑和一次性拆除斜撑两个工况进行了抗连续倒塌分析,从完全不考虑楼板作用和考虑后浇相关层楼板的施工模拟两个角度来复核楼面体系的抗拉承载力,对梁-撑转换节点进行了精细化有限元分析等,最终通过进一步验算保证其在不同水准地震作用下仍能很好地满足预定的性能化设计目标。
朗峻广场项目是多个整体建筑体块错落叠合而成的复杂建筑,其造型独特,具有45m跨度刚性连接连体、斜撑转换、竖向构件收进和大悬挑等特征,结构采用框架-多筒体剪力墙体系。阐述了刚性连体构成、转换结构的设计选型与思路,重点介绍了筒体剪力墙墙肢的关键设计要点。此外,根据项目特点确定结构的性能目标,提出了小震设计参数结果的合理提取方法和中震的设计原则,复核结构在大震下的抗震性能并根据结果采取适宜的抗震措施。结果表明本工程结构具有较好的抗震性能,采用的设计方法可行。
深圳某连体桁架转换超限高层建筑主体结构为框架-剪力墙结构,连体部位为钢桁架和钢框架结构。连体底部设置5榀桁架承托本层及上部钢框架共9层荷载。结合项目特点,对主体结构设定了相应的抗震性能目标。采用YJK、ETABS两种软件对结构进行了多遇地震下的整体分析,通过YJK软件对结构进行了多遇地震下的弹性时程分析及设防、罕遇地震下的等效弹性分析,采用SAUSAGE软件对结构进行了罕遇地震动力弹塑性分析,各项指标均满足设计要求。因连体桁架转换结构为结构的关键构件,故对其进行构造加强,并结合其受力特点进行各工况补充分析,结果表明结构具有良好的受力性能。对穿层柱进行了屈曲分析,确保了穿层柱计算长度满足设计要求。
对重庆长江艺术湾区中岛艺路项目的观光塔结构设计要点进行阐述和分析。观光塔分为塔身和飘带,塔身高38.1m,飘带高25.66m。塔身是由三根逆时针旋转的弯扭箱形柱和顺时针旋转的螺旋箱形梁正交组成的螺旋结构,飘带是由两根弯扭箱形梁和中间连系梁组成的弯扭结构。该结构体型复杂,依据风洞试验确定了结构的风荷载体型系数。对结构的关键构件和关键节点进行了设计,并采用有限元软件MIDAS Gen和ABAQUS对结构的变形、构件内力、应力、结构整体稳定性和节点极限承载力进行了详细分析。结果表明,结构具备较高的安全可靠度。
剪力墙结构体系的高层结构容易出现剪力墙偏心布置的问题,同时引起其在水平作用下抗扭性能不足的问题。通过分析遗传算法的优点及适用性,确定采用遗传算法以实现对剪力墙抗扭性能优化问题。具体讨论了基于遗传算法的优化方法条件的设定,并阐述了基于遗传算法对剪力墙优化的具体步骤。以某工程项目建筑结构作为模型算例,对其简化模型进行基于遗传算法的400代迭代优化,并对优化后的原建筑模型进行验证。结果表明基于遗传算法对剪力墙结构的优化效果良好,优化后的剪力墙结构在水平荷载作用与扭转作用下楼层位移比能得到有效的降低,证明了基于遗传算法对高层剪力墙结构优化的可行性。
介绍了粤港澳大湾区重要机场交通枢纽工程——珠海机场二号航站楼的设计标准和荷载作用取值,阐述了上部屋盖钢结构实现“建筑装修结构一体化思路”的结构选型思路,对主楼进行了静力性能分析、稳定性分析、大震弹塑性分析,开展了屋盖钢结构防火性能研究,并根据屋盖钢结构施工方案进行了专项施工模拟分析。结果表明:主楼屋盖钢结构选择的波浪形变厚度局部抽空焊接球网架结构体系实现了结构受力与建筑装修的统一,具有良好的稳定性能,在罕遇地震和火灾作用下构件受力满足要求,结构安全可靠;施工方案可行,提升过程中结构变形与内力满足设计要求;大跨度网架有必要在施工模拟卸载胎架后,按实际荷载输入计算模型进行位移和应力比复核。
西安城市展示中心由南馆、北馆和连桥组成,其中南馆悬挑长度62m,连桥跨度150m。结合建筑方案特点,南馆与连桥采用整层钢桁架结构体系,结构布置与建筑形态高度契合。介绍了南馆、连桥、穹顶、屋面等位置的结构布置情况,明确了超限项和抗震性能目标,对于多杆件复杂交汇钢节点进行有限元分析。针对南馆、连桥屋楼盖振动舒适度不足,设计布置了调谐质量阻尼器(TMD),实测减振效果显著。对连桥提升过程进行施工模拟,结果表明该过程增加了连桥挠度,需要考虑提前起拱。对超长连体结构温度和地震行波效应进行分析,根据结果对连桥楼板配筋和局部框架柱进行了加强。大震弹塑性分析与防连续倒塌分析结果表明,结构满足“大震不倒”的性能目标,结构冗余度较高,具有良好的防连续倒塌能力。
北航青岛校区体育馆主体结构采用框架结构体系,屋盖结构采用两向正交正放网架。本工程存在扭转不规则、楼板不连续、局部穿层柱、个别构件转换等不规则项,属于超限建筑。对工程进行了小震弹性分析和大震动力弹塑性分析,针对结构的薄弱部位采取了一系列有效的加强措施。同时本工程还对屋盖与主体结构的连接方案进行了分析比较,对屋盖桁架的稳定性进行了分析,对屋盖典型的钢结构节点进行了有限元分析,对室内运动场地进行了舒适度分析,对超长结构楼盖进行了温度应力分析。结果表明:结构安全可靠,满足预设的性能目标。
四川大学博物馆采用钢框架结构体系,并设置屈曲约束支撑改善结构的抗震性能。介绍了四川大学博物馆的结构设计参数及抗震性能目标。针对结构设计中的重难点,开展了屈曲约束支撑的工作机理分析、框架柱计算长度与穿层柱分析、东侧大悬挑空间的相关分析。利用反应谱分析及时程分析探究了屈曲约束支撑工作机理,分析结果表明,屈曲约束支撑能够有效改善钢结构产生塑性铰的状况,起到保护主体钢框架的作用。针对东侧大悬挑空间的功能要求,设计采用了屋顶桁架结合钢拉杆吊挂东侧大楼梯的结构形式,通过结构防连续倒塌分析、楼板应力分析、楼盖舒适度分析、关键节点有限元分析等确保该部位结构设计安全合理。对整体结构受力机理和薄弱部位进行了研究,提出了重点部位的设计原则和加强措施。
自由曲面空间网格结构的力学性能和网格方向之间的联系复杂,难以快速直接地找到最优方向,若对结构网格方向进行多角度建模分析,则存在工作量大且准确性不易保证等问题。为了快速确定自由曲面空间网格结构的最优网格方向,提出一种基于遗传算法的自由曲面空间结构网格方向优化方法,以结构网格方向为优化变量,结合参数化建模软件Grasshopper和有限元分析软件SAP2000实现参数化分析,以结构应变能和结构最大位移两项力学指标作为优化目标,通过最小化目标函数实现结构网格方向优化。通过参数化编程,可实现快速自动优化,并结合工程案例,应用自动优化方法进行网格优化。结果表明:基于遗传算法的自由曲面空间结构网格方向自动优化法具有实用性和高效性,具有较高的工程应用价值。
无新增荷载情况下的持续不均匀沉降常常发生在地基有缺陷的高层建筑中,该类沉降产生的破坏是缓慢持续的。地基不均匀沉降会导致建筑物开裂、倾斜,进一步发生结构安全事故。依据某高层剪力墙结构以及不均匀沉降监测数据,采用ABAQUS建立该高层剪力墙结构三维有限元计算模型,分析不均匀沉降工况下上部结构的内力分布及整体变形发展规律。结果显示,有限元计算得到的模型内力增大位置与实际外墙主要开裂位置相吻合,整体沉降变形发展规律与现场实测数据基本一致,证明上部结构三维有限元模型的可行性。进一步建立剪力墙结构-桩筏基础-地基耦合计算模型,开展不同筏板厚度对整体结构不均匀沉降的影响分析。同时结合实际案例制定“增设筏板+补桩”处理方法,加固完成后监测数据显示房屋处于稳定状态,变形与裂缝均无发展。
某建筑原抗震设防烈度低于6度,且拟将其使用用途由酒店改造为病房大楼。采用黏滞阻尼消能减震技术对该结构进行加固设计,并确定该结构的消能减震加固性能目标为性能1。对加固后结构进行多遇地震、设防地震以及罕遇地震作用下的非线性时程分析,主要分析加固后结构的耗能能力、变形能力以及损伤屈服机制等抗震性能指标的提升情况。分析结果表明,采用减震加固方案后,结构在多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下的各项抗震指标均达到预定性能目标的要求,设置的黏滞阻尼器发挥了良好的耗能能力;罕遇地震作用下结构具有合理的屈服机制,结构损伤轻微。
震损RC框架需在震后得到快速修复,考虑采用加强局部构造及提高整体结构抗震能力的方法,以恢复甚至提高震损框架的抗震能力。结合框架在地震作用下的受力特性及破坏模式,先对柱采取外包角钢与缀条的局部加固,后对整体框架分别采取薄壁钢板剪力墙、斜支撑、V形屈曲约束支撑方式进行加固,并对加固后试件进行低周往复加载试验。结果表明:组合加固后试件抗震性能改善明显,将原框架的“强梁弱柱”转为符合抗震要求的“强节点弱构件,强柱弱梁”破坏。破坏时支撑及薄壁钢板先破坏,能有效避免主体框架过早破坏。试件加固后承载能力、初始刚度、延性及累积耗能均比未加固试件提高显著,且承载力及刚度退化均较缓慢,最后破坏为累积损伤所致。采用V形屈曲约束支撑加固的试件由于其具有多重耗能能力,其抗震性能及延性均好于其他两种组合加固方式的试件,综合考虑试件加固后的抗震性能及破坏模式,建议选用此种方法加固。
设计了4根近似1/2足尺UHPC(超高性能混凝土)加固普通混凝土柱和1根未加固普通混凝土对比柱,进行大偏心受压试验研究,旨在研究方形螺旋箍筋约束UHPC加固方法的有效性,主要研究不同螺旋箍筋间距和加固层是否配置螺旋箍筋对普通钢筋混凝土大偏心受压柱受力性能和变形情况的影响。对试验柱的破坏现象、承载力、侧向挠度、钢筋应变以及混凝土压应变等进行分析。试验结果表明,方形螺旋箍筋约束UHPC加固效果显著,该加固法对构件承载力提高幅度较大,并且能有效提高构件延性;提出螺旋箍筋约束UHPC加固法计算基本假定,推导出螺旋箍筋约束UHPC加固柱的大偏心受压正截面承载力计算公式,承载力计算值与试验值误差较小,研究结果可为此类加固方法工程设计计算提供参考。
由于高温、潮湿、腐蚀等各种不利生产环境的影响,工业建(构)筑物混凝土结构耐久性问题非常突出,大量在役工业建(构)筑物混凝土结构钢筋锈蚀、混凝土劣化严重,使其使用寿命远小于设计使用年限。以烧结、焦化、炼铁、炼钢及轧钢为代表的钢铁行业的五大主要生产工艺工序的主要混凝土建(构)筑物为研究对象,调研不同年代117个建(构)筑物的特点和耐久性损伤状况;选取不同地区的两个钢铁工业区A、B,通过对其各工序建(构)筑物混凝土结构耐久性状况调研,以及局部环境调查、检测和分析,确定了钢铁工业建(构)筑物混凝土结构耐久性环境划分的指标体系;基于BP神经网络算法对各工艺流程主要建(构)筑物混凝土结构耐久性环境进行区划,给出了以烧结室、焦化厂、高炉出铁场平台、炼钢厂为例的耐久性环境等级划分图,为钢铁工业建(构)筑物混凝土结构耐久性设计、评估及修复提供可靠依据。
为了确定高度350.6m沈阳恒隆市府广场塔楼结构设计的风荷载,采用刚性风洞试验与风洞数值模拟相结合的方法分析塔楼的风荷载,风洞试验研究给出楼层剪力与扭矩及风致加速度。采用四种湍流模型进行风洞数值模拟,分析建筑平均风压系数、体型系数、基底剪力及倾覆力矩,并与风洞试验进行比较,得出适用于超高层建筑风洞模拟的湍流分析模型,利用该分析模型的数值风洞模拟技术,分析塔楼13个风向角的风压系数、体型系数和基底剪力,为结构风荷载取值提供依据。研究结果表明:相比于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)对近似矩形平面建筑物的体型系数的规定,RSM模型迎风面0.83、背风面-0.56,与规范矩形截面迎风面0.8、背风面-0.6最为接近;RSM模型与试验吻合最好;选取RSM模型来分析超高层等大型复杂结构风荷载,能够得到较为准确的结果。
变电站引下线受到风荷载作用时会引起明显的风致振动。引下线的振动不但会使自身发生破坏,同时也会造成连接金具的破坏,甚至导致整个系统出现故障。基于运动追踪方法,在风洞试验中获取了典型变电站引下线模型在风荷载作用下的运动状态图像,并通过图像中多个特征点的位移时程完成了动力参数识别。采用随机子空间法识别的结构一阶频率在4Hz左右,阻尼比离散性较大,其范围在0.002 5~0.03,均属于小阻尼。研究表明,基于图像识别的运动追踪方法能够识别引下线结构的风致大变形,并能获取结构动力信息。