超高层巨型结构振动特性研究.pdf

23卷 2期 2007年 6月 世 界 地 震 工 程 WORLD EARTHQUAKE ENGI NEERI NG Vo. l 23, No . 2 Jun. , 2007 收稿日期 2006- 11- 15; 修订日期 2007- 04- 21 作者简介 邹昀 1967- , 女, 副教授, 博士研究生, 主要从事结构抗震方面的研究. 文章编号 10076069 2007 02012506 超高层巨型结构振动特性研究 邹 昀 1 , 2 吕西林 2 1. 江南大学 土木工程系, 江苏 无锡 214122 ; 2. 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室, 上海 200092 摘要 巨型结构体系是适应超高层建筑发展趋势和特点的新型结构体系, 目前国内外的理论研究成果 还很少, 随着工程应用的推广, 进行巨型结构体系的研究, 有其重要的理论价值和实际意义。结合 101层上海环球金融中心大厦具体工程, 进行了整体结构的振动台试验, 并利用国际通用有限元软件 ANSYS分析了超高层巨型结构体系的动力特性和影响因素, 可供工程设计人员在结构选型和方案设 计时参考。 关键词 巨型结构; 振动台试验; 有限元分析; 伸臂桁架 中图分类号 P315 文献标识码 A Shaking table model test on ShanghaiW orld Financial Center ZOU Yun 1, 2 LU Xilin 2 State K ey L aboratory forD isasterReduction in Civ ilEng ineering T ongjiUniversity, Shanghai20092 , China ; Civil Eng ineering depart ment Southern Yangtze University, W uxi Jiangsu 214122 , China Abstract M egastructure syste m is opti mum in superhighrise buildings .It isnecessary to carry on the researchw ith respect to megastructurew ithmore andmore highrise buildings constructed all over the world .Shaking table test of a S WFC model has been completed for investigating the dynam ic characteristics of 101story ShanghaiWorld Finan cial Center S WFC. The 3 D finite element analysis of S WFC building is carried out by using ANSYS to study the effects of some factors on the dynam ic characteristics of the megastructure .Conclusions obtained from S WFC m ay be useful in practical engineering design during structural syste m selection . Key words megastructure ;shaking table tes; tfinite element analysis ;outrigger truss 1引言 目前世界高层建筑发展的趋势是竞相推出高度超过 450m 的超高层建筑和满足一些特殊功能的建筑, 在高层建筑结构中, 抗侧力是设计的主要因素, 随着建筑高度的不断提高, 抗侧力体系在不断的发展和改进, 出现了巨型建筑结构体系这种适应超高层建筑发展趋势和特点的新型结构体系。巨型结构由两级结构组 成, 打破了传统的以单独楼层作为基本结构单元的格局, 有着其它结构无法达到的很多优点。因此, 开展巨 型结构体系的研究, 有其重要的理论价值和实际意义。 2巨型结构的特点及分类 由巨型构件组成的巨型桁架或巨型框架结构, 构成了高层建筑的主体结构, 主体结构与其它结构构件组 成的次结构共同工作形成了一种巨型结构体系, 从而获得更大的灵活性和更高的效能。巨型构件的截面尺 寸通常很大, 其中巨型柱的尺寸常超过一个普通框架的柱距, 可以是巨大的实腹钢骨混凝土柱、 空间格构式 桁架或是筒体; 巨型梁采用高度在一层以上的平面或空间格式桁架, 一般隔若干层才设置一道。巨型结构的 主结构通常为主要抗侧力体系, 次结构只承担竖向荷载, 将力传给主结构。巨型结构是一种超常规的具有巨 大抗侧力刚度及整体工作性能的大型结构。 巨型结构具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能, 具有一系列不同于普通结构的特点 1结构 整体刚度大。由于巨型构件的截面尺寸比常规构件大得多, 因此其刚度必然比普通结构的刚度大很多; 2 侧向刚度大, 且沿高度分布均匀, 传力途径明确, 是一种理想的抗侧力结构体系; 3体系灵活多样, 有利于 抗震。巨型结构可以有各种不同的变化和组合, 主结构和次结构可以采用不同的材料和体系。巨型结构是 一种大体系, 可以在不规则的建筑中采取适当的结构单元组成规则的巨型结构, 对抗震有利; 4巨型结构 的次结构只是传力结构, 故次结构的柱子不必连续, 建筑物中可以布置大空间或空中台地或大门洞。次结构 中的柱子仅承受巨型梁间的少数几层荷载, 截面可以做得很小, 给房间布置的灵活性创造了有利条件; 5 施工进度快. 巨型结构体系可先施工其主结构, 待主结构完成后分开各个工作面同时施工次结构, 大大缩短 了施工周期; 6具有更大的稳定性和更高的效能, 可节省材料, 降低造价, 使建筑物更加经济实用。 本文以 101层的上海环球金融中心大厦为对象, 进行了整体结构的振动台试验研究, 并利用国际通用有 限元软件 ANSYS对巨型结构的振动特性进行了计算分析。 2上海环球金融中心大厦的结构布置 建在上海市陆家嘴金融贸易区的上海环球金融中心大厦 以下简称 环球中心, 是一幢以办公为主, 集商贸、 宾馆、 观光、 展览及其他公共设施于一体的大型超高层建筑。主楼地下 3层, 地上 101层, 地面以上 高度 492m。建筑平面为 57 . 95m 57 . 95m 的正方形, 大楼建筑面积为 252 , 935 m 2, 裙房为 33 , 370 m2, 地下 室为 63 , 751m 2, 合计约 35万 m2。 环球中心结构采用了巨型钢 -混凝土结构, 其平面布置见图 1 , 布置在建筑四角的钢骨混凝土巨型柱、 钢管混凝土巨型斜撑以及带状钢桁架构成了巨型框架。环球中心采用了三重体系抵抗水平荷载, 它们分别 是巨型框架、 钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架, 这三重结构 体系的位置关系见图 2 ; 竖向共设置了三道三层高的伸臂桁架, 分别设在 28 30层、 52 54层、 88 90层, 考虑到建筑的使用功能均未在核心筒内贯通; 沿结构高度每 12层设一道高度为一层的带状桁架。 1 6层内外核心筒壁厚 1600mm, 7 18层筒壁厚 1700 mm, 19 30层筒壁厚 1450 mm, 31 42层筒壁 厚 900mm, 43 55层筒壁厚 750 mm, 55 59层内筒壁厚 650mm, 60 7 9层层筒壁厚 400mm, 80层以上筒 壁厚 500mm。 18层以下巨型柱详图见图 3 , 巨型斜撑和伸臂桁架的杆件采用箱型截面内浇混凝土, 详图见 图 4 a, 带状桁架采用焊接组合箱型截面, 详图见图 4 b。 126 世 界 地 震 工 程 23卷 2整体结构的振动台试验研究 同济大学土木工程防灾国家重点实验室对上海环球金融中心大厦的整体结构进行了缩尺模型的振动台 试验, 研究该巨型结构的动力特性。 根据结构的具体特点、 模型制作和试验条件, 首先确定几何相似比为 1/50 ; 加速度相似比设计为 2 . 5 ; 弹 性模量相似比确定为 0 . 32 , 模型结构的主要相似关系见表 1 。钢构件的截面尺寸和混凝土构件配筋根据等 强设计要求确定。通过对模型进行白噪声扫频, 来测量结构的自振频率、 振型和阻尼比等动力特征参数。 表 1 模型结构主要相似关系 物理量 尺寸 SL弹性模量 SE频率 Sf加速度 Sa质量密度 S集中力 SF 相似比1/500. 32/11 . 182 . 56. 41/7813 通过对上海环球金融中心的整体结构模型的模拟地震振动台试验, 根据相似律换算可得到原结构动力特性。 前 6阶频率和阻尼比列于表 2 表 2 原结构的自振频率和阻尼比 模态序号1阶2阶3阶4阶5阶6阶 f p 0 . 1760. 1760 . 4110 . 6840. 6840 . 749 阻尼比0 . 0370. 0380 . 0370 . 0350. 0380 . 033 振动模态y 向平动x向平动扭转y 向平动x向平动扭转 1272期邹 昀等 超高层巨型结构振动特性研究 3ANSYS计算分析 3 . 1 计算模型 巨型结构体系中各类构件对结构整体受力性能的影响作用各不相同, 建立计算模型时采用了不同的处 理方式。位于建筑物四角的巨型柱是构成该结构的承重及抗侧力体系的主要构件, 其横截面特征尺寸达 5 . 0m 以上, 已远远超出经典有限元梁柱单元的适用范围, 故计算中对 41层以下巨型柱均采用 ANSYS程序中 的实体单元进行模拟, 并在每层范围内沿层高及横截面方向均进行了单元细分。建筑物自 41层起沿 x方向 逐步内收, 巨型柱的横截面尺寸也分级缩减, 并在此上形成二个分支。有限元计算模型则根据巨型柱横截面 尺寸变化情况在 41 43层之间由实体单元经由厚板壳单元过渡到梁柱单元。对构成巨型结构体系的巨型 斜撑、 带状桁架以及连接核心筒体的伸臂桁架则用常规的梁柱单元模拟, 但采用相对比较细密的单元划分。 承担传递楼面荷载的周边小柱及核心筒内的柱子、 楼面梁、 剪力墙洞口的连梁等均采用梁柱单元模拟。计算 模型考虑了楼面板弹性, 采用板壳单元进行模拟。核心筒剪力墙也采用板壳单元进行模拟。巨型结构框架 体系的有限元计算模型和典型楼层的有限元计算模型分解示意图见图 5 。 图 5 计算模型分解示意图 3 . 2 巨型结构动力特性 用三维有限元分析软件 ANSYS建立整个结构有限元计算模型共包括实体单元数 2 028 、 板壳单元数 24 903 , 梁柱单元数 32 376 ; 共计单元数 59 307 , 共计节点数 65 130。计算了结构的前 30阶振型, 发现其中包含 了相当多的楼板或构件局部振型, 结构前 3阶的振动模态示意图见图 6。计算得到的结构前 3阶频率 fA列 于表 3 。可以看出由试验得到的原型结构的频率 fT与有限元的计算频率 fA吻合较好, 其最大误差为 14 。 从表 3看出试验的 fT总大于计算频率 fA, 差异的主要原因是由于模型制作过程中, 楼板的厚度比按相似关系 计算的厚度略有提高。因为小比例的模型难以实现 4mm 厚度以下的楼板, 因此使得结构的频率偏高, 但这 种影响不大。 图 6原结构前 3阶模态 128 世 界 地 震 工 程 23卷 表 3原型结构自振周期及振型特征 模态序号 fTfA|fT- fA| /fA 阻尼比振动形态 10 . 1760. 15613 0. 037y 向平动 20 . 1760. 1855 0. 038x 向平动 30 . 4110. 36114 0. 037扭转 图 7设置二道伸臂桁架时结构前 3阶模态 4不同因素对结构动力特性的影响 巨型结构组合体系可以明确分为主结构和次结构。在环球中心结构中, 主结构由巨型框架、 混凝土核芯 筒和伸臂桁架组成。巨型框架承担由风和地震引起的剪力和倾覆弯矩, 次结构由楼面钢梁、 钢柱和楼板组 成, 主要将带状桁架间各楼层的竖向荷载可靠地传递给主结构的带状桁架层和巨型斜撑。核心筒既承担竖 向荷载, 又承担由风和地震引起的部份剪力和倾覆弯矩。主结构的侧向刚度通常明显大于次结构的可比侧 向刚度, 水平荷载的较大部分将由主结构承担, 而且建筑物的水平变形也主要由主结构的刚度来控制。以下 分别探讨主结构中伸臂桁架的数量、 混凝土核芯筒壁的厚度以及次结构中楼板对结构动力特性的影响。 4 . 1 伸臂桁架的影响 伸臂桁架的作用是加强内筒体与外围巨型柱之间的共同工作, 由于伸臂桁架的竖向刚度很大, 在水平荷 载作用下, 它能迫使外柱参与抵抗倾覆力矩, 从而减低核心筒的倾覆力矩。在环球中心大厦原结构中, 分别 在 28 30层、 52 54层、 88 90层设置了三道伸臂桁架, 为了解在环球中心结构中伸臂桁架数量和位置对 结构动力特性的影响, 利用 ANSYS分别考虑了这样三种情况 1在 52 54层、 88 90层设置二道伸臂桁 架, 即取消原结构中 28 30层处的第一道伸臂桁架; 2在 28 30层、 88 90层设置二道伸臂桁架, 即取消 原结构中 52 54层处的第二道伸臂桁架; 3仅在 88 90层设置一道伸臂桁架, 即同时取消原结构中 28 30层、 52 54层的二道伸臂桁架。利用 ANSYS计算出的前 3阶频率列于表 4 , 三种情况的前 3阶振动模态 特征一致, 见图 7 。可以看出结构的伸臂桁架数量和位置的改变, 前 3阶振动模态特征没发生改变。三种情 况下结构的频率对比可以看出, 取消第一道伸臂桁架对结构频率影响很小, 最大影响仅为 1 . 31 ; 取消第二 道伸臂桁架对结构频率影响超过情况 1, 此时, 前 3阶频率的最大改变为 2 . 18 ; 同时取消第一和第二道 伸臂桁架, 结构前 3阶频率的最大改变为 2 . 69 。 4 . 2 核芯筒壁厚度的影响 为了考察核芯筒壁厚对结构频率的影响, 分别将原结构设计中核芯内筒的壁厚从下至上减少 20 和 40, 计算得到前 3阶频率列于表 4 。可以看出随着核芯内筒的壁厚变化, 模态特征没发生改变, 筒壁变化 后的前 3阶振动模态图同图 6 。总体上来说, 核芯筒壁厚的减少对结构频率影响不大, 从 1阶频率至 3阶频 率, 其影响的逐渐减小, 即核芯筒壁厚对 1阶频率影响最大。当壁厚减少 20 时, 对应前 3阶频率的变化分 1292期邹 昀等 超高层巨型结构振动特性研究 别是 1 . 69、 1 . 49 、 1 . 19 ; 当壁厚减少 40 时, 结构前 3阶频率减少 3. 72 、 2 . 34 、 2 . 26 。 表 4不同影响因素影响下的结构自振周期及振型特征 模态序号123 原结构 频率0 . 1560 . 1850 . 361 振动形态y 向平动x 向平动扭转 取消第一道 伸臂桁架 频率0 . 1560 . 1810 . 359 振动形态y 向平动x 向平动扭转 取消第二道 伸臂桁架 频率0 . 1550 . 1830 . 360 振动形态y 向平动x 向平动扭转 仅设置顶部 伸臂桁架 频率0 . 1540 . 1800 . 359 振动形态y 向平动x 向平动扭转 核芯筒壁厚 减少 20 频率0 . 1530 . 1820 . 356 振动形态y 向平动x 向平动扭转 核芯筒壁厚 减少 40 频率0 . 1500 . 1810 . 353 振动形态y 向平动x 向平动扭转 楼板厚度 减少 20 频率0 . 1580 . 1860 . 361 振动形态y 向平动x 向平动扭转 减少一半 楼板 频率0 . 1530 . 1820 . 352 振动形态y 向平动x 向平动扭转 4 . 3 楼板的影响 在建立环球中心的计算模型时楼板选用 shell143单元, 可以考虑楼板的弹性。由巨型结构的概念可知, 结构整体的抗侧刚度主要由主结构提供, 而次结构的贡献很小。为了考察楼板对结构频率的影响, 本文采取 二种办法, 其一, 将原结构中楼板厚度减少 20 ; 其二, 每隔一层取消一层楼板, 即将原结构中的楼板取消一 半。结构楼板按照这二种方法改变后模态特征没有改变, 前 3阶频率见表 4 。可以看出, 楼板厚度减少 20 后, 频率最大改变了 1 . 05 ; 原结构中的楼板取消一半后, 频率最大改变了 2. 41 。 5结论 巨型框架动力特性主要影响因素及规律经上述分析计算可归纳如下 1钢筋混凝土核芯筒壁厚 钢筋混凝土核芯筒壁厚的影响不明显, 因为壁厚增加时虽能增加结构侧向 刚度, 但同时也会增加结构质量, 两者相抵使结构动力特性改变很小。 2伸臂桁架的设置 巨型结构基频的变化也反映出抗侧刚度的变化。伸臂桁架设置于结构顶部的作 用最明显。伸臂桁架设置在建筑高度一半以下的位置对结构抗侧刚度贡献很小; 在结构高度一半位置设置 对结构抗侧刚度的贡献效果界于前二者之间, 增加伸臂桁架的数量对抗侧刚度的影响不明显。 3楼板的影响 楼板对结构频率影响很小, 巨型结构的抗侧刚度由主结构提供, 楼板的贡献可以忽略。 本文的研究工作得到国家自然基金 50025821 ,50338040、 上海市科技发展基金、 无锡市建设局 2004 年科技项目计划和江南大学青年科学基金的资助 参考文献 [ 1] J G J3- 2002 , 高层建筑混凝土结构技术规程 [ S]. 北京 中国建筑出版社, 2002. 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