带伸臂超高层结构中伸臂桁架的耗能性能研究

发布时间：2020-08-09 02:05

【摘要】：超高层建筑中的伸臂桁架加强层体系经历了从刚性加强层到“有限刚度”加强层的概念设计转变,但是由于加强层导致结构刚度和内力突变的本质没有改变。如何改进加强层设计,使其能够呈现出延性屈服机制,一直是重点研究课题。随着建筑结构技术的发展,伸臂桁架的设置向更高效、合理的方向发展,除了常规的普通支撑型伸臂桁架外,屈曲约束支撑型伸臂桁架、阻尼型伸臂桁架等新型伸臂桁架形式,也开始进入工程设计的视野。相对于外框架来说,伸臂桁架受建筑造型因素的制约更少,结构功能更为纯粹,通过对其耗能机制、设置方式等的研究,得到的成果更具有普适性。同时,伸臂桁架形式的改进,一方面可以减轻加强层的刚度突变,另一方面可以加强伸臂桁架的耗能能力,具有广阔的应用前景。本文从常见超高层建筑的典型结构体系:框架-核心筒-伸臂桁架体系入手,选取采用单道伸臂桁架和多道伸臂桁架体系的两个工程实例,通过试验研究、计算分析和理论推导,对普通支撑型、屈曲约束支撑型和阻尼型伸臂桁架的受力性能和耗能性能进行了研究,主要完成以下几个方面的工作:(1)对国内外在建或建成的超高层建筑进行调研,对整体结构性能目标和伸臂桁架性能目标、耗能机制进行统计归纳,综述目前超高层建筑伸臂桁架设计的优缺点。(2)针对普通支撑型、屈曲约束支撑型和阻尼型伸臂桁架,研究其数值等代模型的可靠性,并将数值模拟结果与滞回耗能试验结果进行对比研究,确定了不同类型伸臂桁架在超高层整体结构有限元模型中的数值模拟方案。(3)以单道伸臂桁架的超高层体系为研究对象,对分别采用三种类型伸臂桁架结构体系的超高层建筑的抗震性能进行对比研究,包括不同地震水准下结构的层间位移角、周期、刚度比、伸臂层刚度突变、墙柱在伸臂层内力突变,以及伸臂桁架和结构主要构件的性能目标等问题,从而确定三种类型伸臂桁架的工程设计原则,并提供下一阶段深入研究的基础模型。(4)以单道伸臂桁架的超高层体系为研究对象,进行了采用三种类型伸臂桁架结构体系的超高层建筑耗能特性研究,以结构耗能和结构损伤为指标,对结构总耗能和伸臂桁架在其中的耗能贡献,以及整体结构和关键构件在罕遇地震作用下的塑性开展程度,进行了综合评估。评估结果表明,屈曲约束支撑型伸臂桁架和阻尼型伸臂桁架结构体系,具有更好的结构规则性和耗能性能。阻尼型伸臂桁架对核心筒的损伤程度控制效果更优,BRB伸臂桁架对整体结构的位移响应控制效果更优。(5)以多道伸臂桁架的超高层体系为研究对象,对采用屈曲约束支撑型伸臂桁架的超高层结构进行了深入研究,以耗能贡献和结构损伤程度为评价指标,对屈曲约束支撑伸臂桁架沿高度的设置位置与数量进行了敏感性分析,确定了在中部楼层应用屈曲约束支撑,具有最优的耗能性价比。敏感性分析为采用多道伸臂桁架的超高层建筑结构设计提供了有价值的参考结论。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU973.17
【图文】：

Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ邋ｓｔｏｒｅｙ邋ｏｆ邋ｈｉｇｈ邋ｒｉｓｅ邋ｂｕｉｌｄｉｎｇ逡逑超高层中的伸臂常见形式可归纳为如下三种基本类型：实体梁（或整层箱型梁）逡逑式、空腹桁架式、斜腹杆桁架式（图１－２）。逡逑：ｉ：逡逑ＩＴｉｆｌ邋ｘｔ邋ｘ邋Ｉｎｎｉ逡逑ａ）实体梁式伸臂逡逑＊邋？邋，产々邋ｖ邋Ｊ邋广邋．ｗ邋４邋Ｓｆ－＾．邋＾邋ｖ邋＿邋／、、，＂■邋？邋＾邋／邋－邋．：邋．邋．－：ｖ；ｙ＾，．．邋．．．．邋．邋．－邋Ａ邋＾邋邋邋＊－＇ｉｆ逡逑／邋Ｉ邋＾逦；邋ｊ逡逑＾ｘＩＸＸＺ：ｉｍｊ逡逑１１＾邋Ｉ邋／邋Ｉ邋＼邋１＾—＂－｜逡逑ｂ）空腹桁架式伸臂逡逑２逡逑

凝土都比较困难，因此经常采用钢桁架做伸臂，既便于工厂制作后现场拼装，又可逡逑以减缓实腹伸臂导致的加强层刚度剧烈变化问题。钢桁架伸臂的典型设置方式如逡逑图１－３所示，实际应用时，根据伸臂桁架高度、框架柱到剪力墙的进深等因素，保逡逑证斜腹杆具有合理的斜率，从而选择效率较高的设置方式。逡逑自２０世纪７０年代开始，国内外的学者就已经开始研究高层建筑中伸臂桁架逡逑的应用。方鄂华等Ｗ对伸臂桁架设置位置进行了研宄，在综合考虑风荷载和地震作逡逑用之后，研究结果表明，单道伸臂桁架设置在（０．６￣０．７）Ｈ位置时最优；两道伸臂桁逡逑架时，一道设置在屋顶层，一道设置在中部楼层处，可以得到较好的效果。徐培福逡逑等［２］研宄表明由于伸臂桁架刚度较大，其设置会显著影响外围框架柱、核心筒剪力逡逑墙的受力，宜采用“有限刚度”的加强层。逡逑＾逦

邋ｉ邋ｉｔ逡逑ｃ）斜腹杆式伸臂逡逑图１－２超高层结构伸臂设置方式逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｏｕｔｒｉｇｇｅｒ邋ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｓｕｐｅｒ邋ｈｉｇｈ邋ｒｉｓｅ邋ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ逡逑伸臂所在楼层一般均需要布置通道，如果采用实腹梁，则需要开较大的洞口，逡逑而桁架和空腹桁架则便于设置通道。混凝土桁架和空腹桁架的模板制作和浇筑混逡逑凝土都比较困难，因此经常采用钢桁架做伸臂，既便于工厂制作后现场拼装，又可逡逑以减缓实腹伸臂导致的加强层刚度剧烈变化问题。钢桁架伸臂的典型设置方式如逡逑图１－３所示，实际应用时，根据伸臂桁架高度、框架柱到剪力墙的进深等因素，保逡逑证斜腹杆具有合理的斜率，从而选择效率较高的设置方式。逡逑自２０世纪７０年代开始，国内外的学者就已经开始研究高层建筑中伸臂桁架逡逑的应用。方鄂华等Ｗ对伸臂桁架设置位置进行了研宄，在综合考虑风荷载和地震作逡逑用之后，研究结果表明，单道伸臂桁架设置在（０．６￣０．７）Ｈ位置时最优；两道伸臂桁逡逑架时

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本文编号：2786431