考虑桩—土—结构相互作用时高层建筑风振响应分析(Ⅰ)

对考虑桩-土-结构相互作用时高层建筑顺风向风振响应的计算问题而言,由于桩土系统的影响,整个结构体系的动力特性较刚性地基的情形有了很大的不同.考虑到影响高层建筑风振响应的参数往往是综合性的,而非单参数的影响,采用相对刚度这一参数,对桩-土-结构相互作用时对结构顺风向风振响应的影响进行了研究,所得结论可供设计时参考.     

土-结构相互作用对结构风振响应的影响

通过框架结构的风振响应计算，说明土-结构相互作用（简称SSI）对结构风振响应的影响，计算结果表明，在结构的风振响应分析中，考虑SSI并不总是安全的，在土中阻尼较小时，考虑SSI后，体系的第一频率较不考虑SSI时（即所谓的“刚性地基”）明显降低，而弹性位移反而较刚性地基时的值大，后一现象在相对刚度较小时更加明显。此外，考虑SSI后，无论结构高度如何，结构各楼层的总位移总是远无远大于刚性地基时的位移，这可能使人体产生明显的不舒适感，因此，在风振响应分析中应当考虑SSI效应。     

考虑桩-土-结构相互作用时高层建筑风振响应分析(Ⅱ)

对考虑桩—土—结构相互作用时高层建筑顺风向风振响应的计算问题而言,由于桩土系统的影响,整个结构体系的动力特性较刚性地基的情形有了很大的不同。考虑到影响高层建筑风振响应的参数往往是综合性的,而非单参数的影响,采用相对刚度这一参数,对桩—土—结构相互作用时对结构顺风向风振响应的影响进行了研究,所得结论可供设计时参考。     

考虑二阶振型的高层建筑顺风向风振响应简化计算

为评估高层建筑风振的舒适度,应建立简单实用的结构风振响应计算方法。而我国GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的高层建筑顺风向风振响应简化计算方法没有考虑二阶振型的贡献。基于准定常理论,采用频域法进行了考虑二阶振型贡献的高层建筑顺风向风致响应评估,并分析了二阶振型对结构风致响应的贡献。结果表明：二阶振型对高层建筑顺风向动力位移响应的贡献一般在2%以内,但对顺风向动力加速度响应的贡献最大能达到18%。在评估结构顺风向风振加速度响应时,二阶振型的贡献不能忽略。在此基础上,推导了考虑二阶振型的对称等截面高层建筑顺风向风振响应简化计算方法。将此简化方法得到的结果与频域法和规范公式得到的结果进行对比,其误差在5%以内,表明简化公式具有较好的精度和适用性。     

高层建筑风荷载相干性研究

利用高层建筑刚性模型测压风洞试验结果,对顺风向风荷载竖向、水平相干性,迎背风面相干性以及横风向、扭转方向风荷载相干性的主要特征进行研究。利用算例说明了迎背风面相干性以及横-扭风荷载相干函数对于风振响应的影响。从计算结果来看,迎背风面全相干假定将使顺风向风振响应计算结果偏于保守;当结构刚心和质心偏离时,假定横扭风荷载相干性等于零会低估横风向和扭转方向风振响应。     

钢结构高层住宅的风振模型与风振特性研究

为探讨高层钢结构风振计算模型的合理性和风振响应特性,对某钢结构高层住宅进行了风洞试验,得到了建筑表面的风荷载时程;建立面向风振分析的弹性楼板精细模型、刚性楼板精细模型和简化层刚片模型,将测得的风荷载时程分别施加于三种模型,按随机振动理论计算得到了各模型在不同风向角下的顺风向、横风向和扭转向风振响应统计值,并与相关规范方法结果进行比较。结果显示:结构的峰值位移响应虽由顺风向控制,但加速度响应由横风向控制,扭转向加速度接近于顺风向;基于刚性楼板假定的风振分析所带来的偏差并不大,但采用简化层刚片模型及规范方法求得的扭转向位移可能偏不安全。     

桩-土-桥相互作用对隔震连续梁桥地震响应的影响

随着隔震技术在桥梁结构中的广泛应用,建立合理的桥梁模型进行隔震分析十分重要。以某连续钢箱梁桥为对象,建立了墩底固结不考虑桩土、M法桩和非线性有限元桩的三种桥梁模型,通过对这三种桥梁模型进行隔震前后的地震响应分析,以研究桩-土-结构相互作用对不隔震和隔震桥梁的影响。研究表明:考虑桩-土相互作用对该桥梁隔震前、后的地震响应都具有较大的放大效应,非线性有限元桩桥梁模型的放大效应大于M法桩的桥梁模型;三种模型的隔震率相差不大,不考虑桩-土-桥梁结构相互作用不会对隔震率产生过大估计。     

深圳京基金融中心风振响应分析

以风洞试验结果为基础,对高度为439m的深圳京基金融中心风振响应进行详细分析。分析结果表明,该类超高层建筑的横风向响应大于顺风向响应,在结构设计中应予以充分考虑;建筑物对风荷载的动力放大作用明显,结构风振响应以共振响应为主;由于各振型之间的耦合作用较弱,在风振响应分析中考虑少数振型即可满足精度要求;设置加强层可以有效的减小表征层间剪切变形的有害层间位移角。研究结果还表明深圳京基金融中心位移响应、加速度响应均随风向角大致均匀变化,周围建筑物对其干扰效应不明显。     

结构-桩-土的地震反应分析

通过分析软土地基下桩承高层建筑的相互作用,发现在高层建筑的抗震分析中考虑结构－桩－ 土相互作用是必要的,按照刚性地基假定进行计算并不一定就是安全的。     

某景观烟囱顺风向风振响应分析与风振系数确定

采用SAP2000软件建立了某景观烟囱的结构分析模型,输入风荷载时程进行风振响应分析。考虑了烟囱复杂外形和不规则质量分布,利用频域方法计算了烟囱第1阶振型的风振位移响应,并与时域方法的结果进行对比,二者吻合较好。分别采用阵风荷载因子法和惯性风荷载法计算了烟囱结构不同高度处的风振系数,并将基于该两种风振系数的等效静力风荷载分别作用在烟囱结构上,计算其顺风向位移响应并与精确值进行比较,结果表明其位移分布均符合真实响应。因此虽然上述两种方法得到的风振系数沿高度分布差别较大,但均能实现烟囱的风振位移等效,均是合理的。为工程应用方便,采用基于阵风荷载因子法的风振系数供结构设计使用。     

Dynamic characteristics and viscous dampers design for pile‐soil‐structure system

A series of large‐scale shaking table tests are conducted on tall buildings with and without energy dissipation devices on soft soils in pile group foundations, representing pile‐soil‐structure interaction (PSSI) system and the corresponding fixed‐base situations. The superstructure is a 12‐story reinforced concrete (RC) frame. The dynamic characteristics of the test models show that the frequencies decrease and the damping ratio increase in PSSI system by comparison with the fixed‐base structures. The mode shapes of PSSI system are different from that under fixed‐base condition, and the mode shapes of structure without dampers change greater than that with energy dissipation devices under various white noises. An improved method for structural dynamic characteristics, considering the impedance function of piles, is developed to address the issue of modal parameters with PSSI effect. In addition, the structural dynamic parameters of the large‐scale shaking table tests are identified using the modification method and other regulation methods, demonstrating that the improved approach is highly accurate and effective. Subsequently, a design procedure for viscous dampers of structures with PSSI effect is presented based on the dynamic characteristics of the system. Finally, the dynamic responses of the structure with viscous dampers in the practical engineering are decreased effectively, indicating the good performance of designed viscous dampers. The numerical results also show that the damping efficiency of interstory drift is larger than the acceleration and interstory shear force. Therefore, the improved modal parameters method, validated through a series large‐scale shaking table tests, is applicable for identifying dynamic characteristics of pile‐soil‐structure with energy dissipation devices system. The design procedure of viscous dampers, proved by a reinforced concrete frame structure located on a practical Shanghai soft site, can be employed to design the viscous dampers considering seismic PSSI effect.     

Large‐scale shaking table test on pile‐soil‐structure interaction on soft soils

The two large‐scale shaking table tests of tall buildings on soft soils in pile group foundations are performed to capture the effect of the seismic pile‐soil‐structure interaction (PSSI) on the dynamic responses of the pile, soil, and structure. The two different model conditions are observed, including a fixed‐base structure and a structure supported by 3‐by‐3 pile group foundation in soft soil, representing the situations excluding the soil‐structure interaction (SSI) and considering the SSI, respectively. In the tests, the superstructure is a tall building with 12‐story reinforced concrete frame. The pile‐soil‐structure system rests in a shear laminar soil container, which is designed to minimize the boundary effects during shaking table tests. The two models are subjected to various intensity seismic excitations of Shanghai bedrock waves, 1995 Kobe earthquake, and 1999 Chi‐Chi earthquake events. According to the experimental and analytical results, SSI systems have longer natural periods than the fixed‐base structure. In addition, soft soil has amplification effect under smaller seismic excitations and isolation effects under larger earthquake intensities. The strain amplitude at the top of pile is large, and the strain at the middle and tip is relatively small. Whereas the contact pressure is small at the top of pile and large at the middle and tip. From the dynamic responses of the superstructure, it is found that the PSSI amplifies the peak displacements and interstory drifts of the structures supported by pile group foundations by comparing with the fixed‐base structure. Whereas the peak acceleration and interstory shear force of the structure are reduced considering seismic PSSI. The results show that the seismic SSI is not always favorable, however, it may increase certain dynamic responses of the structure. Consequently, the seismic SSI should be considered reasonably, providing insight towards the rational seismic design of buildings rested on soft soils.     

非刚性楼板对错位转换高层建筑结构扭转反应影响的研究

错位转换高层建筑结构因其特殊性,会形成空间偏心,在水平地震作用下,将会产生较大的扭转反应.我国的高规在计算高层建筑结构扭转反应时,楼板建议采用刚性楼板,本文采用Etabs程序研究了弹性楼板对带错位转换高层建筑结构扭转反应的影响.分析表明,采用弹性楼板假定时,位移比会略有增加,扭转角会增大,同时,会使上部转换层上下扭转刚度的突变进一步加剧.     

基于风洞试验的高层建筑钢结构风致加速度研究

对钢结构高层建筑群中的典型狭长形建筑进行了表面风压的风洞模型试验,分别考虑了建筑为单体和群体的情况。利用试验获得的风荷载时程对该高层结构进行风振响应的动力时程分析,并着重对得到的与风致舒适度关联的加速度响应进行分析和讨论,对比群体效应对顺风向、横风向和扭转向峰值加速度的不同影响。结果表明,对于平面为狭长形的住宅钢结构高层建筑,扭转效应引起的风致峰值加速度不容忽略;而群体效应一般对结构的加速度呈增大趋势,而且对横风向及扭转向的增大程度通常大于对顺风向的程度。     

转换梁位置对高层建筑结构抗震影响的分析

对带梁式转换层的高层建筑结构进行整体分析,利用SATwE结构分析软件对不同楼层位置转换梁进行动力分析与比较。分析表明,当转换层位于较高位置时,在水平地震作用下,楼层的层间位移在转换层附近发生突变,对结构的抗震性能具有不利影响。     

高层建筑结构的扭转反应控制

高层建筑结构扭转反应控制是设计中的关键问题,但在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中还没有这方面的具体规定。因此,有必要对《高层建筑混凝土结构技术规程》中控制结构地震扭转效应的主要方法进行解说和讨论:限制结构在考虑偶然偏心的水平地震作用下,每个楼层的最大位移和最大层间位移与该层平均位移和平均层间位移的比值(位移比)以及结构以扭转为主的第一振型周期Tt与以平动为主的第一振型周期Tl之比值(周期比);分析位移比、周期比和偏心率之间的关系,并说明计算偶然偏心影响和控制位移比、周期比的必要性和可行性,以及在单塔楼工程设计中的应用;对于多塔楼高层建筑结构,提出了控制扭转效应的设计建议:对上部无刚性连接的多塔楼结构,宜将各塔楼及裙房由裙房顶板处切开分别计算各自周期比;对上部有刚性连接的多塔楼结构,应采用整体结构模型计算并验算整体扭转和平动的周期比。     

考虑群桩效应的大刚度结构的地震反应分析

基于改进的Gazetas均质土中桩-土-结构相互作用三步法计算模式,引入轴向力影响导出了一种计算层状介质中动力相互作用的新方法,扩展了群桩-土相互作用简化法的应用范围。在考虑群桩效应的基础上,对两种规范未要求进行共同作用计算的新型大刚度高层结构(带交叉斜撑的钢管混凝土框架结构和配筋砌块砌体剪力墙结构)进行了群桩-土-上部结构体系的地震反应分析。分析表明,引入群桩运动相互作用后的一体化抗震设计,可以从量化和定性两方面来较为简捷、准确地预估体系的共同作用效应程度,而按一般概念上的单纯根据位移的增大或加速度的减少来判别共同作用的产生大小是不合理的。配筋砌块砌体剪力墙结构在一定的桩土条件下反而会有更强的动力相互作用效应。上述两种新型结构都应纳入规范考虑上下部共同作用的结构体系的范畴。最后,提出了一个可以综合考虑多项影响参数的量化判别公式,可以快速判别群桩-土-上部结构是否需要开展相互作用的计算。