強風對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響分析
比較研究了高層鋼框架結(jié)構(gòu)受不同強度風荷載作用后的位移和內(nèi)力的變化情況，探討了高層鋼框架結(jié)構(gòu)受不同風荷栽作用后的整體損傷情況，估算了臺風對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷累積值的上限。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，質(zhì)量更小、強度更高的建筑材料不斷涌現(xiàn)，從而使得高層鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼不斷下降，對風荷載的敏感性卻進一步增強。高層鋼框架結(jié)構(gòu)受風荷載作用所產(chǎn)生的疲勞損傷問題以及由此引起的結(jié)構(gòu)過大反應(yīng)導(dǎo)致其無法滿足正常使用要求等問題日顯突出，因此分析強風對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響，對于高層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計和現(xiàn)役高層鋼框架結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測有著重要的實際工程意義。
2005年，蘇啟旺u 3系統(tǒng)研究了既有建筑物產(chǎn)生損傷后，其動力特性診斷參數(shù)識別損傷的內(nèi)在機理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識別方法。該研究為建筑物的損傷研究提供了理論支持。
2006年，廖河山等心1鈴析了9914號強臺風對廈門市各類建筑工程及其附屬設(shè)施的影響，并總結(jié)了此次臺風區(qū)別于20世紀50-80年代同類臺風的新特點；雖然廖河山等總結(jié)了建筑物受到臺風作用的破壞情況，但是沒有深入地分析建筑物的損傷情況。2006年，楊柯等口3基于有限元模型導(dǎo)出了多自由度系統(tǒng)和實測臺風數(shù)據(jù)，對深圳地王大廈進行了非線性數(shù)值模擬，并比較和研究了振幅相關(guān)阻尼與一系列常數(shù)阻尼對各種強度的臺風激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，楊柯等的工作為超高層建筑的阻尼研究提供了可以借鑒的依據(jù)。2007年，王世村等‘4 3采用隨機裂紋擴展模型對高聳結(jié)構(gòu)的風振疲勞問題進行了分析，其考慮了平均風速的概率分布和時間相關(guān)性對裂紋擴展的影響，并用ZMNL法模擬了相關(guān)的平均風速時程樣本，而根據(jù)MonteCarlo法得出了裂紋長度的概率分布，王世村等對高聳結(jié)構(gòu)風振疲勞問題進行的分析給框架結(jié)構(gòu)風振疲勞問題的分析打下了基礎(chǔ)。2008年，俞劍勇等口3結(jié)合我國首座海上風力發(fā)電項目，就設(shè)計中的鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題進行了分析，為鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計提供了借鑒。另外，張相庭等。6一對風荷載時程模擬以及城市風災(zāi)經(jīng)濟損失模型等進行了研究。黃本才等‘63對下游干擾體對上游建筑物的干擾進行了理論和風洞試驗的比較研究。
本文將在以上學者研究的基礎(chǔ)上，深入研究強風對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響。對于強風荷載的加載方式和計算方法，本文根據(jù)臺風的風速時程，按照時間△丁（△丁取10 min）將實際臺風的風速時程劃分為5個階段，按照國家規(guī)范J 3的要求，再將結(jié)構(gòu)的風振動力響應(yīng)計算轉(zhuǎn)化為等效靜力風荷載的計算。最后，針對高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗風最薄弱的方向，運用ANSYS分析軟件對受到強風作用后的高層鋼框架結(jié)構(gòu)進行靜力和動力分析，以期分析強風對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞和損傷情況。
通過ANSYS分析可以看出，高層鋼框架結(jié)構(gòu)受強風作用后：1）當基本風壓大于1.2 kN/IT12時結(jié)構(gòu)頂點的側(cè)向位移過大；2）底部總軸向力變化很小，底部總剪力和底部總彎矩隨著風壓的增大而增大；3）結(jié)構(gòu)整體的損傷值隨著基本風壓的增大而增大。
1 基礎(chǔ)理論、計算方法和結(jié)構(gòu)模型
1.1 基礎(chǔ)理論
風對建筑物具有靜力和動力兩種作用，靜力作用主要為平均風作用于建筑物后引起建筑物變形和內(nèi)力的重分布，動力作用主要為脈動風作用于建筑物后引起建筑物的抖搌和自激振動。我國規(guī)范‘71將結(jié)構(gòu)的風振動力響應(yīng)計算轉(zhuǎn)化為等效靜力風荷載的計算，從而將結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)計算轉(zhuǎn)化為簡單的靜力分析。但是規(guī)范只考慮極限狀態(tài)沒有考慮強風對建筑物的時程影響。本文根據(jù)實際臺風的風速時程（圖1），按照時間AT（AT取10 min）將實際臺風的風速時程劃分為數(shù)個小的階段（圖2），在每一階段按照我國規(guī)范‘i：的要求將等效靜力風荷載施加到高層鋼框架結(jié)構(gòu)上。
根據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行結(jié)構(gòu)損傷診斷的基本原理∞]：結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、模態(tài)振型等）是結(jié)構(gòu)物理特性（質(zhì)量、阻尼和剛度）的函數(shù)，結(jié)構(gòu)物理特性的改變會引起系統(tǒng)動力響應(yīng)的改變，利用結(jié)構(gòu)損傷前后模態(tài)參數(shù)的改變可以很直觀地進行損傷識別。
高層鋼框架結(jié)構(gòu)的風振疲勞損傷屬于隨機變幅損傷問題，對該問題的研究以累積損傷理論為基礎(chǔ)，即結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷是一個累積的過程，如Miner線性累積損傷理論。通常認為交變應(yīng)力的每一個循環(huán)都將造成一定的疲勞損傷，對于結(jié)構(gòu)受變幅交變應(yīng)力作用的情況，結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷量可以通過把各不同幅值的應(yīng)力循環(huán)造成的疲勞損傷按適當?shù)脑瓌t累加而得到。當結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷量達到某一數(shù)值時就將發(fā)生疲勞破壞。
1.2風荷載酌計算方法
風荷載按照GB 50009 - 2001中規(guī)定的方法計算，即垂直于高層鋼框架結(jié)構(gòu)表面上的風荷載標準值為：
對于強風荷載的加載方式和計算方法，本文選取2006年8月10日登陸我國的“桑美”臺風為例。9]，“桑美”臺風登陸時風力17級，風速60 m/s，最大風速75.8 m/s，根據(jù)“桑美”臺風的風速換算可知其最大基本風壓為2. 25 kN/rf12。以“桑美”臺風為基礎(chǔ)選取基本風壓分別為0.6，0.8，1.0，1.2，1.5 kN/rr12的情況，分別設(shè)為工況l-工況5用U，Ul，U。，U。，U。表示，按照我國規(guī)范‘7 3的要求將等
效靜力風荷載施加到高層鋼框架結(jié)構(gòu)上。運用ANSYS分析不同基本風壓對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響。
經(jīng)計算，5種工況下對高層鋼框架結(jié)構(gòu)的風荷載標準值見表1，高層鋼框架結(jié)構(gòu)的風壓見圖3。
1.3 結(jié)構(gòu)模型
目前在辦公樓建筑中，高層辦公樓一般采用框架承重、填充墻作為圍護構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。本文選取了一個比較典型的高層鋼框架結(jié)構(gòu)辦公樓(14層)進行各種工況下的受力分析。具體參數(shù)如下：
1)建筑物結(jié)構(gòu)：樓層層高統(tǒng)一為3.2 m，結(jié)構(gòu)總高為44.8 m．結(jié)構(gòu)總長為37.5 m，結(jié)構(gòu)總寬為16 m。
2)構(gòu)件尺寸：在本結(jié)構(gòu)體系中，梁為工字梁，采用統(tǒng)一的截面尺寸：300 mm×300 mm×488 mm×18 mm×18 mm×II mm。柱為箱形柱，其截面尺寸分兩種類型：1～IO層為550 mm×550 mm×25 mm×25 mm;;11-14層為500 mm×500 mm×25 mm×25 mm。樓板的厚度為100 mm。
2 工程應(yīng)用
2.1 風荷載分析
應(yīng)用ANSYS軟件對建筑物進行靜力和模態(tài)分析步驟如下：1）以桿系一層模型為基礎(chǔ)，選用AN-SYS中的Beam 188單元和Shell 163單元建立結(jié)構(gòu)整體模型；2）根據(jù)鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系定義結(jié)構(gòu)各部分的屬性；3）將高層鋼框架結(jié)構(gòu)每層的風壓值平均分配加于結(jié)構(gòu)柱上，如圖3所示；4）對AN-SYS運行的結(jié)果進行分析。
2.1.1 風荷載靜力學分析
1)結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移分析。經(jīng)過AN-SYS靜力學分析，風荷載作用后高層鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移見衷2。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，得出高層鋼框架結(jié)構(gòu)受風荷載作用后的各層位移和各層間位移，如圖4所示。
由表2和圖4可知，在5種基本風壓的作用下，結(jié)構(gòu)層間位移的分布情況相似，結(jié)構(gòu)的最大層間位移都出現(xiàn)在4層，結(jié)構(gòu)第4層的突變最嚴重；當基本風壓為1.5 kN／m-時，結(jié)構(gòu)第4層的層間位移角為o．004，大于高層鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移角要求的0.003 3。從最大層間位移可以看出，當高層鋼框架結(jié)構(gòu)受到強風襲擊后結(jié)構(gòu)第4層最容易產(chǎn)生破壞。
2)基底內(nèi)力。風荷載作用后對高層鋼框架結(jié)構(gòu)底端總內(nèi)力進行計算，得到基底剪力F、軸力Fx和彎矩M。列入表3。
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