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。     

超高层框筒-伸臂结构受力和变形性能探讨

基于对某超高层框筒-伸臂结构的可行性研究,提出5种结构方案,研究了设置环向桁架和伸臂对结构体系受力和变形性能的影响。计算结果表明:在低烈度地区的超高层建筑,一般风荷载是控制性工况,整体稳定性可能会成为结构体系成立与否的决定性因素。若伸臂和环向桁架同时设置,可形成筒体、伸臂和框架柱共同工作,减小了核心筒承担的倾覆力矩,伸臂成为整个结构的第二道抗侧力体系,各类构件受力性能更趋于经济合理。同时,伸臂的设置会引起邻近楼层墙柱内力突变,故应对该区域结构构件提出更加严格的抗震措施,保证其不成为薄弱部位。对比分析结果认为:对此类结构体系应多方案论证其可行性和经济性,伸臂和环向桁架设置的位置、数量和截面尺寸的确定应综合考虑各项因素。     

东莞国贸中心T2塔楼伸臂桁架施工技术

伸臂桁架层结构作为高层建筑施工的重难点部位,具有构件尺寸大、节点复杂、穿插施工作业多等特点,因此,对钢结构深化设计、智能顶升钢平台优化及施工组织等方面提出较高的要求。东莞国贸中心T2塔楼建筑高度达428. 8m,是典型的高层钢-混组合结构体系,其加强层设置的伸臂桁架+腰桁架结构是核心筒与外框柱连接的重要构造。以T2塔楼为研究载体,介绍复杂环境下高层建筑伸臂桁架结构施工技术。     

采用新型错层交叉布置伸臂的高层建筑抗震性能

伸臂桁架作为核心筒和外框架之间有效的刚性连接,可有效降低核心筒倾覆力矩,显著提高结构的整体抗侧刚度,在超高层建筑中得到了广泛的应用。以某超高层建筑为例,研究了新型错层交叉布置伸臂形式在多遇地震和罕遇地震下对结构整体抗震性能的影响,并考虑其与屈曲约束支撑相结合的优化设计。分析结果表明:在实际工程中,该伸臂形式各项性能表现优越,在保证结构安全的前提下,可有效降低结构造价。     

伸臂桁架体系和梯式连梁体系的高层建筑抗震性能评估（英文）

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。     

斜钢管混凝土柱框架-核心筒-伸臂桁架结构抗震性能研究

为明确钢管混凝土(CFT)柱框架-核心筒-伸臂桁架混合结构的抗震性能,结合典型工程“青岛海天中心”,采用MARC有限元软件对该结构体系进行抗震性能分析。分别进行了多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析。结果表明：设置斜CFT框架柱可有效控制结构顶点位移,罕遇地震作用下,最大顶点位移较直CFT框架柱结构的降低约76.6%;斜CFT柱使地震剪力由核心筒向框架转移,转移后的地震剪力更接近双重抗侧力体系的设计要求,即在多遇地震作用下框架部分至少承担结构总底部剪力的20%;同时,结构倾覆力矩的变化与剪力相反。设置斜CFT框架柱的结构可充分利用材料性能,在发挥相同抗侧力作用情况下能取得较好的经济效益。在此基础上,对结构进行基于增量动力分析(IDA)的地震倒塌易损性分析,确定了结构塑性发展路径为连梁、核心筒底部、框架柱底端、伸臂桁架。易损性分析结果表明,CFT框架柱斜置未对结构抗震倒塌安全储备产生不利影响,依然表现出优异的抗地震倒塌能力;结构变截面楼层部分的连梁和周围墙底塑性损伤最为严重,在设计中应对其进行加强。     

伸臂桁架-主动调谐质量阻尼器组合系统地震作用下最优控制与最优伸臂桁架位置

在原有伸臂桁架系统的基础上加入主动调谐质量阻尼器(ATMD)构成一个多效的组合系统,提出了该组合系统基于虚拟激励法的简化分析模型。首先将组合系统的运动方程改写为状态空间方程,并在此状态空间里采用线性二次规划方法(LQR)方法求解ATMD的最优控制力;然后将此最优控制力带入原有的运动方程中应用虚拟激励法求解组合系统在地震作用下的响应;最后通过对一原型高层结构进行一系列的参数分析,对比了伸臂桁架-主动调谐质量阻尼器组合系统与纯伸臂桁架系统最优位置以及最优位置所对应的结构顶部位移。参数分析结果表明:ATMD能明显减小普通伸臂桁架系统的位移响应,但是对于阻尼伸臂桁架系统减小作用不明显甚至有较多位移放大的情况;ATMD在地震作用下可以降低最优伸臂桁架位置。     

超高层建筑结构中伸臂桁架的设计实践

基于对多个超高层项目中伸臂桁架进行的深入研究,提出伸臂桁架数量与塔楼高度之间的近似关系,指出将伸臂桁架设置在0.5H~0.9H区段楼层时可有效减小结构侧移,设置在0.3H~0.7H区段的楼层时可更好地控制结构自振周期,设置在0.3H以下的楼层时可有效减小底部楼层核心筒墙肢的拉应力。并介绍了伸臂桁架的常用形式,根据其抗侧效果的不同给出了对应的适用条件;分析了伸臂桁架与核心筒墙体和框架柱的连接节点方式,提出相关设计建议;指出应注重研究伸臂的合拢时间,以控制内外筒沉降差对结构的不利影响,确保塔楼施工过程中的安全性。     

旋转惯容阻尼伸臂控制体系减震性能研究

旋转惯容阻尼器(rotation inertia damper,RID)具有质量小、阻尼力大的特点,应用于伸臂结构体系时必须考虑其转动惯量的影响。通过研究RID工作机理,推导了RID伸臂控制体系的振动微分方程,并提出了该体系的地震响应简化算法;考虑RID转动惯量影响,研究了结构各参数与地震响应的关系及其对减震效果的贡献。结果表明：RID伸臂控制体系的地震响应简化算法计算结果合理,与有限元法结果吻合较好;RID的质量参数对伸臂位置及阻尼参数的最优值影响甚微,而且对结构地震响应的影响也可忽略;外柱刚度将显著影响伸臂位置与阻尼器参数的最优值,而且当外柱刚度较大时有利于RID的性能发挥;RID伸臂控制体系具有良好的减震性能,即使在RID质量参数较大的情况下,也能保证其阻尼力在等效力中起主导作用。     

不同消能伸臂体系减震效果对比分析

超高层建筑结构常采用框架核心筒结构体系,利用外框架和核心筒之间的竖向变形差,在外框架和核心筒之间设置消能器,可形成消能伸臂体系。粘滞阻尼器、防屈曲支撑以及剪切耗能件均为性能稳定的消能器。为研究三种不同消能器构成的消能伸臂对高层建筑结构抗震性能的影响,结合实际工程案例对比分析了这三种体系的减震效果以及经济性。研究表明,三种消能器均能有效降低结构地震作用,其中粘滞阻尼器消能伸臂减震效果最佳,剪切阻尼器消能伸臂经济性最优,防屈曲支撑在减震效果和经济性方面具有较好的综合性能。     

超高层建筑伸臂桁架-核心筒剪力墙节点杆系计算模型

基于超高层建筑通常采用的巨柱框架-伸臂桁架-核心筒结构体系中伸臂桁架与核心筒剪力墙连接节点的重要性,针对伸臂桁架斜腹杆在节点处直接与墙两侧外包钢板相连的外包钢板节点形式提出全杆系简化模型和设计方法。利用有限元分析软件MSC.MARC(2010)建立该节点的数值模型,并分析确定模型的边界范围。提出考虑混凝土开裂的全杆系简化模型,并通过数值模型进行验证。分析剪力墙开洞对节点受力性能的影响并给出节点的设计方法。研究结果表明：外包钢板节点在承受拉力作用时较为不利,是该类节点的控制工况;数值模型能够较准确地模拟外包钢板的应力发展规律;全杆系简化模型简便易行且具有较高精度,在荷载水平较大时能够较准确地估计整个节点的刚度及内力分配,在荷载水平较低时可给出偏于安全的结果;连梁分担轴力比例主要由洞口高度决定,近似呈线性关系。本文研究可为该类伸臂桁架-核心筒剪力墙节点在工程中的应用提供参考。     

集成黏滞阻尼伸臂减震装置超高层建筑结构续建改造设计

为了在超高层建筑结构续建改造设计中减少已建结构的改造工程量,通过附加黏滞阻尼装置有效提高高层建筑在地震作用下的结构耗能,从而降低结构的内力和变形响应。研究了黏滞阻尼伸臂的变形放大原理,介绍了黏滞阻尼伸臂的最优布置方法,并提出了续建改造多状态矩阵,分析了续建改造项目典型驱动因素,总结了集成黏滞阻尼伸臂减震装置的超高层建筑结构续建改造设计策略,最后以工程实例验证该方法的有效性及准确性。结果表明：黏滞阻尼伸臂适用于以弯曲变形为主的超高层建筑结构,变形放大系数可近似为区格的跨度与高度之比,理论放大系数一般为2～3;采用基于阻尼耗能排序不变假定的黏滞阻尼伸臂设计方法,仅需对结构进行一次满布阻尼计算分析即可确定耗能排序及各附加阻尼方案;在以弯曲变形为主的框架核心筒结构中,阻尼伸臂布置在中、高区减震效果最好,距离该位置越远,耗能效果越差,相邻两道伸臂式阻尼提供的附加阻尼比相差约15%;在续建改造项目中布置黏滞阻尼减震系统,黏滞阻尼器提供的附加阻尼并非越大越好,存在使结构综合成本最低的集成减震设计方案;黏滞阻尼伸臂减震集成设计方法在提升结构抗震性能的同时有效降低了结构续建改造成本,具有实际工程价值。     

消能减震伸臂桁架在超高层结构中的风振控制研究

随着建筑物高度的增加,框架-核心筒-伸臂结构体系的应用越来越多。同时,多道伸臂桁架的布置在超高层结构中越来越普遍,较柔的超高层结构的自振频率接近脉动风的频率,风振下结构的加速度较大,易引起舒适度问题。针对某带多道伸臂桁架的超高层建筑,提出在伸臂桁架与外框架间布置黏滞阻尼器的方法,即采用带黏滞阻尼器的消能减震伸臂桁架,来控制结构在风振下过大的加速度响应,重点分析其抗风性能及在不同高度的伸臂桁架中布置黏滞阻尼器的减振效率。     

带伸臂超高层结构最优伸臂道数及位置确定的灵敏度向量法

以最大层间位移角为优化目标,提出一种简单有效的向量积算法,可以快速确定最优的伸臂桁架设置数目及位置。以上海中心大厦为例,给出了该算法的应用方法及过程,并结合分析结果对带伸臂超高层结构的最优伸臂道数及位置的设置规律进行了分析。对于典型的100层以上的超高层建筑,向量积算法的效率比常规的穷举法提高约28倍。分析表明,最优的伸臂桁架设置方案与桁架设置的数目和位置均有关系,且伸臂桁架设置方案的最优性并非随着伸臂桁架数目的增加而增加。     

钢-砼混合框筒结构超高层建筑结构设计关键技术

某钢-砼混合框筒结构超高层建筑总高度250m,结构位于风荷载较大、地震作用也较大的地区,根据建筑的功能要求,进行伸臂加强层位置方案比选,结合该高层结构超限情况进行抗震性能分析,运用基于性能的抗震设计方法,根据结构抗震性能目标分别确定了关键构件、普通竖向构件和耗能构件的性能水准,进行多遇地震、中震下结构计算分析和罕遇地震下结构弹塑性分析,采取针对超限的措施,实现了预期的性能目标。     

双伸臂巨型结构整体稳定性分析

通过对伸臂位于顶部及中部任意高度的巨型结构进行整体稳定性分析,提出了双伸臂巨型结构中伸臂和边框架柱相互作用的独立弹簧和关联弹簧模型。推导了双伸臂巨型结构整体失稳的临界方程,通过具体算例的分析得出：双伸臂巨型结构失稳时,伸臂巨型结构层总的临界轴力与轴力在核心筒与伸臂端的边框架柱之间分布基本无关。分析还表明,伸臂结构失稳时伸臂巨型结构层之间存在较大的相互作用。将基于整体以及层的荷载负刚度理论运用到伸臂巨型结构中进行分析,研究伸臂巨型结构与普通框架结构失稳性质的异同,揭示了伸臂巨型结构在本质上更加接近于框架结构而非整体弯曲型结构。     

武汉绿地中心伸臂桁架层施工技术

武汉绿地中心作为典型的超高层钢-混凝土组合结构体系,钢结构桁架的设置无疑是不可缺少的,其中伸臂桁架作为核心筒与外框的连接至关重要。而超高层工程从组织管理、施工工艺等方面带来的各种影响也会改变伸臂桁架层的施工条件,提高施工难度。针对伸臂桁架层施工的种种问题,本文重点介绍深化设计、顶模改造及结构施工等关键技术,总结超高层伸臂桁架层施工经验。     

武汉中心伸臂桁架设计与研究

武汉中心塔楼采用巨柱框架-核心筒-伸臂桁架体系。在设计过程中对伸臂桁架道数、位置、立面形式、截面的确定进行了分析研究;结合建筑、机电的要求进行了伸臂杆件入墙延伸段的设计,并针对不同墙厚条件设计了嵌入式和外包式两种伸臂桁架入墙节点形式;对伸臂桁架杆件与钢管混凝土柱连接的构造方式进行了比选,并结合施工过程分析探讨了伸臂杆件延迟封闭的必要性。最终选用了设置3道伸臂桁架的结构方案并确定了各道桁架的具体做法。     

避难层多层大跨度伸臂桁架垂直度控制技术

汉国城市商业中心工程结构总高度为311.9m,塔楼设置4个避难层,每个避难层设计有钢结构伸臂桁架,通过优化桁架拼装的分段设计、增加桁架间的稳固梁等措施,实现了桁架的轴线偏差≤5mm、垂直度偏差≤10mm,并通过实践,总结了避难层桁架的施工工法,在确保施工进度及工作性能的同时,提高了避难层桁架的施工质量。     

采用黏滞阻尼伸臂桁架的超高层结构模型振动台试验研究

黏滞阻尼伸臂桁架兼具高效耗能和“有限刚度”加强层的特点,可提高结构的抗震性能,尤其适用于高烈度区超高层结构抗震设计。中国国际丝路中心塔楼建筑高度498m,是目前全球最高的采用黏滞阻尼伸臂桁架的高层建筑,为验证其抗震性能和减震措施的有效性,进行了1∶40的缩尺模型振动台试验研究。本文介绍了模型设计、试验过程及主要现象。试验测试了结构在8度小震、8度中震、8度大震地震波输入下的动力响应,包括结构自振特性、动力放大系数、楼层位移、层间位移角、损伤发展及阻尼器耗能等。将主要试验结果与有限元分析结果进行了对比,总体上吻合程度较好,可互为验证。试验及分析结果表明：结构设计合理,采取的减震措施有效,结构整体抗震性能满足规范及预定的抗震性能目标要求;黏滞阻尼伸臂桁架产生的附加阻尼比随地震作用强度增加而降低,并且随主体结构进入弹塑性后进一步降低。根据试验结果对结构设计提出了相应的建议,揭示的阻尼比变化规律可供类似项目设计参考。