一種確定高層建筑遇風(fēng)荷載變形的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及建筑工程，特別是涉及核心筒-框架結(jié)構(gòu)超高層建筑遇風(fēng)荷載后的變 形分析。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量人口涌入城市，為解決人口的容納問題，各城市爭(zhēng) 相新建高層建筑，甚至超高層建筑用于居住和辦公，特別是在城市核心區(qū)域，超高層建筑比 比皆是。高層建筑的災(zāi)害可能源于地震、火災(zāi)、爆炸、撞擊、風(fēng)載等現(xiàn)象。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論，高 層建筑遇地震、火災(zāi)、爆炸、撞擊的后果雖然非常嚴(yán)重，但其事件的發(fā)生概率非常小，最典型 的就是911事件的世貿(mào)大樓雙塔。但對(duì)于風(fēng)荷載，雖然不會(huì)造成建筑結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性破壞， 但應(yīng)符合建筑的正常使用極限狀態(tài)要求。也就是說在頻繁的風(fēng)荷作用下，高層建筑的響應(yīng) 變形要適合于辦公和居住，其變形不能過大。特別地，由于超高層建筑高度較高，基礎(chǔ)截面 尺寸相對(duì)于高度較小，即建筑的高寬比較大，所以超高層建筑對(duì)于風(fēng)荷載最為敏感。由于這 些原因，風(fēng)荷載對(duì)于超高層建筑的影響成為了相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003] 目前對(duì)于建筑風(fēng)荷載研究主要有兩種方式，一是相似模擬，一是計(jì)算機(jī)模擬。相關(guān) 的主要研究有：李正農(nóng)等對(duì)不同風(fēng)場(chǎng)下高層建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了研究；馮宏等研 究了超高層建筑風(fēng)荷載譜試驗(yàn)研究及數(shù)學(xué)模型；徐楓等研究了超高層建筑風(fēng)致振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬；周紅波等對(duì)高層建筑在極端臺(tái)風(fēng)氣候下結(jié)構(gòu)及施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析 及其控制研究；劉程鵬對(duì)高層建筑物表面風(fēng)荷載數(shù)值模擬進(jìn)行了研究；汪大洋等對(duì)某超高 層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致混合減振控制進(jìn)行了研究；李宏海等對(duì)下?lián)舯┝髯饔孟陆ㄖ锉砻骘L(fēng)壓分 布進(jìn)行了模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出使用基于顆粒流的PFC3D作為模擬平臺(tái)，建立超高層建筑核心筒-框 架結(jié)構(gòu)。構(gòu)建了影響建筑物的風(fēng)荷載模型，并使用該模型模擬了一擬建超高層建筑物在 7~10級(jí)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變形。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種確定高層建筑遇風(fēng)荷載變形的方法，其特征在于，為了解超高層建筑在風(fēng)荷 載作用下變形程度和特征，提出了使用基于顆粒流理論的PFC3D作為平臺(tái)進(jìn)行模擬；所構(gòu) 建的超高層建筑為核心筒-框架結(jié)構(gòu)；為了適應(yīng)顆粒流理論和符合實(shí)際風(fēng)荷現(xiàn)象，提出了 先分段后等效的風(fēng)荷載設(shè)置方法，即風(fēng)荷載模型；使用該模型對(duì)兩個(gè)正交方向，7~10級(jí)風(fēng) 作用下建筑物變形進(jìn)行模擬；其包括如下步驟：建筑基本模型構(gòu)建、風(fēng)荷載模型的建立、模 擬結(jié)果分析；本發(fā)明可用于核心筒-框架結(jié)構(gòu)超高層建筑遇風(fēng)荷載后的變形分析。
[0007] 建筑基本模型構(gòu)建的原理是基于顆粒流理論，基于PFC3D的該超高層建筑構(gòu)造， 設(shè)基本單元顆粒半徑R = lm。
[0008] 建筑基本模型構(gòu)建時(shí)，核心筒在某種意義上是存在于建筑物中的增強(qiáng)體，其為建 筑物整體提供了較大的強(qiáng)度和剛度，可以說是建筑物的支柱，為了體現(xiàn)其作用，增強(qiáng)空間剛 度，將核心筒構(gòu)造成凈空和梁厚均為2m的單元，這樣設(shè)置的原因在于可體現(xiàn)空間剛度的增 強(qiáng)，另一方面也減少了顆粒數(shù)量便于計(jì)算機(jī)模擬，與此同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置為凈空4m，梁厚 2m的單元，在滿足實(shí)際尺寸的同時(shí)也表示了標(biāo)準(zhǔn)層剛度相對(duì)較弱的特點(diǎn)。
[0009] 建筑基本模型構(gòu)建時(shí)，在水平方向?yàn)楸硎竞诵耐驳奶卣?，將核心筒周圍也相?yīng)的 設(shè)置了圈梁和外伸梁；圈梁一方面可以約束核心筒變形，另一方面可以和柱一起組成標(biāo)準(zhǔn) 層的框架結(jié)構(gòu)；外伸梁是連接核心筒和外圍框架結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特征將其 設(shè)置為雙排梁結(jié)構(gòu)。
[0010] 風(fēng)荷載模型建立時(shí)，首先確定風(fēng)壓沿建筑高程的分布特征；考慮到風(fēng)在接近地面 時(shí)風(fēng)速較小，在距地面一定高度范圍內(nèi)逐漸增加，而超過一定高度后風(fēng)速基本不變。
[0011] 風(fēng)作用于建筑的方向分為兩種，分別為沿X軸正向，沿Y軸正向；除風(fēng)的方向外，其 余設(shè)置兩者相同；假設(shè)建筑沿高程50m以下無風(fēng)作用，50m~300m有風(fēng)作用且風(fēng)壓逐漸增 加，300m以上風(fēng)壓最大值PmJ呆持不變；風(fēng)壓的作用位置為風(fēng)最先接觸到的建筑物立面，且 垂直于建筑物立面，即正視為X = 0, Z = 0~300m及X = 12m，Z = 300m~480m ;側(cè)視為 Y = 0, Z = 0~420m及Y = 12m，Z = 420m~480m，風(fēng)壓的設(shè)置如式1所示；
[0013] 風(fēng)荷載模型建立時(shí)，確定PMax為風(fēng)壓設(shè)置的關(guān)鍵，風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面所 受到的風(fēng)的壓力；根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)一壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓如式（2)所示，
[0014] P = 0. 5X p XV2 (2)
[0015] 于空氣密度P和重度R的關(guān)系為R= P Xg，因此p =R/g，帶入式（2)得式（3)，
[0016] P = 0. 5XRXV2/g (3)
[0017]在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣重度R = 0. 01225kN/m3, g = 9. 8m/s2,帶入式（3)得式（4)， 式（4)即為論文中所使用的風(fēng)速和風(fēng)壓的關(guān)系，
[0018] P = V2/1600 (4)
[0019] 這樣在某一狀態(tài)下的最大風(fēng)壓可表示為PMax= V 2/1600kPa，便可以根據(jù)公式（1) 對(duì)沿建筑高程的立面進(jìn)行風(fēng)壓設(shè)置。
[0020] 根據(jù)風(fēng)級(jí)與風(fēng)速的關(guān)系表得7~10級(jí)風(fēng)的風(fēng)速分別為：13. 9~17. lm/s、17. 2~ 20. 7m/s、20. 8~24. 4m/s、24. 5~28. 4m/s，取最不利風(fēng)速，即最大風(fēng)速作為代表風(fēng)速 帶入式⑷得到7~10級(jí)風(fēng)的代表風(fēng)壓分別等于0. 1828kPa、0. 2678kPa、0. 3721kPa、 0.5041kPa〇
[0021] 確定的風(fēng)壓作用于建筑物立面，而這里構(gòu)建的是建筑物的框架結(jié)構(gòu)，即應(yīng)將風(fēng)壓 作用于建筑物立面的效果等效為作用于框架的效果；框架由顆粒組成，所以應(yīng)將代表風(fēng)壓 轉(zhuǎn)換為作用于顆粒壓應(yīng)力，進(jìn)而模擬風(fēng)作用在建筑上的效果。
[0022] 建筑物外圍框架結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)，即建筑外圍框架是多個(gè)該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組成 的，其迎風(fēng)面面積為6X12 = 72m2,承受這個(gè)面積上風(fēng)壓的構(gòu)件由10個(gè)顆粒組成，則每個(gè) 顆粒所承受的壓應(yīng)力為72X代表風(fēng)壓/10 ;那么7~10級(jí)風(fēng)的等效到顆粒上的壓應(yīng)力為 I. 3162kPa、l. 9282kPa、2. 6791kPa、3. 6295kPa，將這些值作為 PMax帶入式（1)即可完成不同 風(fēng)級(jí)下對(duì)建筑的等效風(fēng)壓設(shè)置。
【附圖說明】
[0023] 圖1為超高層建筑立面圖
[0024] 圖2為風(fēng)壓分布圖
[0025] 圖3為建筑標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)圖
【具體實(shí)施方式】
[0026] (1)該工程為擬建超高層建筑，主體為一棟80層，高約為480m左右的超高層建筑， 標(biāo)準(zhǔn)層高6m，非標(biāo)準(zhǔn)層高8m (獨(dú)立避難層）。工程重要性等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度為二級(jí)， 地基復(fù)雜程度為二級(jí)。工程場(chǎng)地地形平坦，地面高差在44. 74~45. 57m之間。場(chǎng)地所處地 貌單元為沖積平原，該區(qū)屬渾河高漫灘。根據(jù)巖土勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)頂部為近幾年回填的雜填 土，其下為第四系全新統(tǒng)沖積物（Q42al):粉質(zhì)粘土、粉土、中粗砂、礫砂、圓礫等，下伏基巖 為第三系泥礫巖及前震旦系花崗片麻巖。由于主要研究建筑物上部結(jié)構(gòu)，這里對(duì)地質(zhì)條件 不做詳細(xì)介紹。
[0027] 建筑物基本結(jié)構(gòu)為核心筒-框架結(jié)構(gòu)。核心筒為12 X 24m長(zhǎng)方形鋼筋混凝土筒體， 核心筒底部翼墻厚2m，隨高度增加核心筒墻厚略有減小，且貫穿整個(gè)建筑物。依托核心筒， 框架向外每側(cè)伸展12m，承重柱和梁截面為2X2m。外輪廓尺寸分別為1-50層，48X36m; 50-70層，24X36m;70-80層，24X12m。主體結(jié)構(gòu)材料如表1所示。
[0028] 表1主體結(jié)構(gòu)材料
[0029]
[0030] 根據(jù)沈陽(yáng)地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)，處于近海地區(qū)，風(fēng)超過10級(jí)的概率很小，確定模擬 風(fēng)的級(jí)數(shù)為7~10級(jí)。
[0031] 本發(fā)明主要目的是對(duì)該建筑設(shè)計(jì)后的抗風(fēng)荷載性能做出評(píng)價(jià)分析，以便在設(shè)計(jì)階 段保證其建成后的風(fēng)性能，并了解其風(fēng)荷載響應(yīng)變形特征。
[0032] (2)根據(jù)上述對(duì)該超高層建筑幾何尺寸的說明，構(gòu)建的超高層建筑立面圖如圖1 所示。這里規(guī)定X方向?yàn)檎较颍ㄕ暎?，沿建筑物高度為Z方向。
[0033] 為說明基于PFC3D的該超高層建筑構(gòu)造，設(shè)基本單元顆粒半徑R= lm，則工程說明 中的建筑各部分幾何尺寸即可與圖1。
[0034] 核心筒在某種意義上是存在于建筑物中的增強(qiáng)體，其為建筑物整體提供了較大的 強(qiáng)度和剛度，可以說是建筑物的支柱。為了體現(xiàn)其作用，增強(qiáng)空間剛度，將核心筒構(gòu)造成凈 空和梁厚均為2m的單元。這樣設(shè)置的原因在于可體現(xiàn)空間剛度的增強(qiáng)，另一方面也在一定 程度上減少了顆粒數(shù)量便于計(jì)算機(jī)模擬。與此同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)置為凈空4m，梁厚2m的單 元，在滿足實(shí)際尺寸的同時(shí)也表示了標(biāo)準(zhǔn)層剛度相對(duì)較弱的特點(diǎn)。
[0035] 另一方面在水平方向?yàn)楸硎竞诵耐驳奶卣?，將核心筒周圍也相?yīng)的設(shè)置了圈梁和 外伸梁。圈梁一方面可以約束核心筒變形，另一方面也可以和柱一起組成標(biāo)準(zhǔn)層的框架結(jié) 構(gòu)。外伸梁是連接核心筒和外圍框架結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特征將其設(shè)置為雙排 梁結(jié)構(gòu)。
[0036] 綜上，得到了如圖1所示的建筑整體模型。根據(jù)工程背景介紹，構(gòu)成建筑的顆粒性 質(zhì)設(shè)置如表2所示。
[0037] 表2基本單元顆粒性質(zhì)
[0038]
[0039] 首先確定風(fēng)壓沿建筑高程的分布特征。考慮到風(fēng)在近地作用的特點(diǎn)，即一般情況 下接近地面時(shí)風(fēng)速較小，在距地面一定高度范圍內(nèi)逐漸增加，而超過一定高度后風(fēng)速基本 不變。這里假設(shè)了如圖2的風(fēng)壓分布。
[0040] 圖2中假設(shè)，風(fēng)作用于建筑的方向分為兩種，分別為沿X軸正向，如左圖所示（建 筑為正視圖）；沿Y軸正向，如右圖所示（建筑為側(cè)視圖）。除風(fēng)的方向外，其余設(shè)置兩者相 同，以左圖為例說明其設(shè)置。假設(shè)建筑沿高程50m以下無風(fēng)作用，50m~300m有風(fēng)作用且 風(fēng)壓逐漸增加，300m以上風(fēng)壓最大值P Max保持不變。風(fēng)壓的作用位置為風(fēng)最先接觸到的建 筑物立面，且垂直于建筑物立面，即左圖為X = 0, Z = 0~300m及X = 12m，Z = 300m~ 480m ;右圖為Y = 0, Z = 0~420m及Y = 12m