施工期超高层主体结构及塔吊风振响应分析

摘要

超高层建筑是一种典型的风敏感结构，风荷载是其结构设计的主要控制荷载之一。目前对超高层建筑的抗风研究大多都以竣工后的完整结构为对象，很少考虑施工阶段结构处于时变状态下的抗风能力。然而随着超高层建筑高度增加，其施工周期变长、施工难度增加。超高层建筑在较长施工周期内是一个变结构、变刚度、变荷载的时变结构体系，施工时还有塔吊等设备附着于主体结构上，其风致响应非常复杂，此时不能按照竣工后的完整结构来计算风荷载响应。因此迫切需要研究施工期内超高层时变结构及附着塔吊设备的风致响应，确保安全施工。本文采用CFD数值模拟技术结合有限元方法对施工阶段主体结构进行表面风压分析及风振响应计算，并对施工塔吊在极端风作用下的失效路径和结构易损性进行研究。主要完成了以下工作： （1）基于Fluent15.0对CAARC标准模型进行数值模拟并与风洞试验结果对比，以验证数值模拟方法的有效性。分析了某超高层在两个施工阶段的主体结构表面风压分布，讨论了核心筒领先施工导致建筑体型变化对周围风场的影响。给出了不同风向及风速情况下建筑表面的风压等值线和建筑周围流场分布规律，由此确定两个施工阶段下的最不利风向。 （2）确定了施工阶段超高层建筑风荷载取值，根据风的超越概率一致性原则给出了不同施工周期下平均风荷载的取值，并基于线性滤波法编制了脉动风速生成程序。建立某超高层建筑多个施工阶段的有限元分析模型，计算得到其风致位移及加速度等响应。讨论了特定塔吊工况对主体结构风致响应的影响，得到最不利塔吊工况。并以风荷载为控制荷载，计算了核心筒领先施工的最大层数。分析了不同风谱和风速对施工阶段主体结构风振响应的影响。 （3）以某塔吊为独立分析对象，分别以等效静力法与动力时程法计算了不同施工阶段下的塔吊风振响应，讨论了塔吊规范中风振系数取值的合理性。建立了塔吊附着于主体结构的主-附结构力学模型，并基于时程法分析了主体结构对塔吊风振响应的影响，发现随着施工高度增加，主体结构对塔吊影响将逐渐超过风致响应而占主导作用。通过风致Pushover分析得到了塔吊的失效路径和抗风能力曲线，据此进行基于性能的塔吊风致易损性分析，得到了塔吊在各性能水准下的风致易损性曲线和失效临界曲线。

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