框架-核心筒-伸臂结构中加强层的合理设置及其顺风向抗风分析

摘要

随着建筑高度的不断增大，高层建筑风荷载引起的效应在总荷载效应中所占比重逐渐变大，甚至起主要控制作用。而近年来，采用在框架-核心筒结构中适当的位置加大水平结构的刚度(称为框架-核心筒-伸臂结构)来提高结构的整体侧向刚度的方法得到广泛应用。目前，我国规范对于加强层的设置要求主要是针对结构在抗震作用下的分析所得，而对于在风荷载作用下的结构静、动力响应研究较少，因此有必要对该结构体系的风振响应(包括荷载、内力、位移、加速度等)进行深入研究。针对于此，本文进行了以下几个方面的研究工作，并得到相应的研究结论：
　　 1)建立了带两伸臂的框架-核心筒-伸臂体系的平面简化模型，推导了在倒三角荷载作用下结构内力与位移变形的协调分析方法，并以伸臂约束弯矩最大及顶点位移最小为控制目标，计算得到：当伸臂刚度与核心筒线刚度比在2～10左右，加强层设置对结构顶点侧移的影响最为明显。
　　 2)建立了框架-核心筒-伸臂结构的空间有限元模型，通过对其在竖向荷载及倒三角荷载共同作用下的顶点侧移变形规律的分析，得到单个及多个加强层合理位置设置的结论为：设置一个加强层时，在结构0.6H处对于减小顶点侧移的效果最好；两个加强层时，在结构(1/3)H和(2/3)H附近处设置；设置多个加强层时，宜沿高度均匀布置，但不应设置在项层。
　　 3)根据风荷载原理及随机振动理论，采用惯性风荷载法计算得到带不同数量加强层的结构顺风向静力等效风荷载，并对结构进行了顺风向抗风分析，得到：设置加强层可以明显地减少结构侧移，但是加强层的设置同时会引起结构内力重分布；可以考虑多设置加强层来弱化单个加强层的刚性，减少加强层处的内力突变。
　　 4)根据风荷载时域分析理论，采用谐波合成法模拟得到脉动风的风速时程曲线，并将其作为动力输入，求得带不同数量加强层时结构的时程响应结果，结合静力分析结果得到：当结构高度在150m左右时，结构设置1～2个加强层时，外框柱和核心筒的内力分配比较合理，顶点位移和层间位移也明显减小，抗风效果最好；但是当伸臂多于3～4道时，继续减小侧移的效果逐渐减弱。当结构高度更高时，可以设置更多数量的加强层来提高结构抗侧刚度。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景

1.2加强层结构体系研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3高层建筑结构的抗风设计要求

1.3.1强度要求

1.3.2层间变形限值

1.3.3水平位移指标

1.3.4人体舒适度要求

1.3.5高层建筑结构风工程研究方法

1.4本文研究目的及内容

1.4.1 研究目的

1.4.2研究内容

2结构协调分析方法及伸臂刚度取值分析

2.1水平伸臂工作机理

2.2协调分析方法

2.2.1 基本假定

2.2.2带两个伸臂层的结构分析

2.2.3伸臂层的合理位置计算

2.3伸臂刚度取值对合理设置的影响

2.3.1 α和β对加强层设置的综合影响

2.3.2仅β变化对加强层设置的影响

2.4本章小结

3结构空间计算模型的建立及伸臂位置分析

3.1引言

3.2空间有限元模型的建立

3.2.1 模型概况

3.2.2模型计算参数的选定

3.2.3模型有限元分析单元选用

3.2.4简化假定及边界条件处理

3.3伸臂位置对合理设置的影响

3.3.1 带加强层高层建筑结构设计规定

3.3.2单个加强层设置位置分析

3.3.3两个加强层设置位置分析

3.3.4多个加强层设置位置分析

3.4本章小结

4结构动力特性及其顺风向等效风荷载分析

4.1引言

4.2结构动力特性分析

4.2.1结构计算方案确定

4.2.2整体动力平衡方程

4.2.3模型模态分析

4.3风的概述

4.3.1平均风与脉动风

4.3.2风速风压关系

4.3.3风压高度变化系数

4.3.4风荷载体型系数

4.3.5脉动风特性

4.4顺风向等效风荷载理论基础

4.4.1顺风向风荷载计算

4.4.2静力等效风荷载

4.5风荷载作用下的静力分析

4.5.1等效风荷载计算结果

4.5.2结构总体性能分析

4.5.3加强层设置对外框架柱内力的影响

4.5.4加强层设置对核心筒剪力的影响

4.5.5水平伸臂内力分析

4.5.6结构变形分析

4.6本章小结

5加强层结构顺风向风振响应分析

5.1引言

5.2风荷载时程的数值模拟

5.2.1谐波合成法

5.2.2时域风振分析理论

5.2.3脉动风荷载模拟

5.3风振响应分析

5.4本章小结

6结语与展望

6.1本文主要结论

6.2对后续工作的展望

致 谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录