Analysis on Collision Response of ComplicatedHigh-rise Connecting Structures
-
摘要: 本文以弹塑性时程分析方法为基本手段，对上海国际金融中心三塔楼之间的大跨度连廊结构进行了罕遇地震下的碰撞分析研究。着重研究了连廊与主塔楼之间在大震下可能出现的相互碰撞以及撞击力的大小、最大碰撞力在不同支座中的分布特征等；同时，考察了发生碰撞的情况下，廊桥构件的安全性。本文采用的分析研究方法对其它类似复杂连廊结构的设计和分析具有较好的借鉴意义。Abstract: Based on the elastic-plastic time-history analysis method, the collision response of large-span corridor structure between the three towers of Shanghai International Financial Center is studied. The research work focused on the feasibility of the mutual collision, the magnitude of the impact force between the corridor and the main towers and impact force's distribution characteristics in space under severe earthquake. In addition, the components' performance is checked during collision. The analysis research method in this paper can provide significant reference to other similar complex corridor structures.
-
Keywords:
- Large-span Corridor /
- Collision /
- Seismic Performance
-
1. 引言
连体结构体系主要是指两个或多个塔楼通过一定的方式、在一定的高度相互连结形成的结构体系。连体结构一个非常值得重视的关键问题就是连接体与塔楼之间的连接方式，如果处理不当结构安全将得不到保证。连接体与塔楼之间的连接方式一般根据建筑方案来确定，主要有强连接方式[1-3]和弱连接方式[4-5]两类。由多部分组成的连体结构属于复杂结构体系，在外部侧向激励作用下，各部分间相互影响、相互传递能量，在地震作用下的反应远比单体结构和多塔无连体的结构复杂[6]。已有震害表明：连体结构破坏往往发生在连接体本身或者连接体和主体结构的连接处，如连接处的拉裂和碰撞破坏。并且破坏程度与连体的跨度、连接体位置的高度、主体建筑物的对称性、连体设置是否偏心、连体与主体结构的连接方式等因素有关，这些因素对连体的影响也比较复杂[7]。目前针对弱连接方式的连体结构在设计与分析研究中经常通过计算得到连接体和塔楼之间的相对变形，在支座设计中预留足够的运动距离保证连接体与塔楼之间不发生碰撞。但地震具有很大的不确定性，连接体与塔楼之间碰撞的可能性无法完全避免，在现有文献中针对碰撞的模拟以及根据碰撞力大小进行设计的资料较少。本文以一个三塔连体结构为例，研究罕遇地震下连接体与塔楼之间碰撞的可能性，重点模拟发生碰撞后碰撞力的大小，为结构的安全设计提供参考。
2. 工程介绍
上海国际金融中心有三座高层塔楼，分别为上交所(高195m)、中结所(高138m)和中金所(高178m)，三个塔楼通过T字型廊桥相互连接。廊桥总共三层桥面，分布在7层，8层和9层。总跨度超过158m，通过二个中间支撑将跨度分割为三跨，两端37m和中间84m。廊桥与三个塔楼之间为弱连接，自成抗侧体系，抵抗水平地震作用。地震作用下，为防止廊桥和主塔楼的刚性撞击，设置防撞击弹簧。详细结构参数见文献[8]。
3. 分析方法和模型
本文采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应，具有如下特点：
(1) 完全的动力时程特性：直接将地震波输入计算模型进行弹塑性时程分析，可以较好地反映在不同相位差情况下构件的内力分布，尤其是楼板的反复拉压受力状态；
(2) 完全的几何非线性：结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，可以精确地考虑“P-Δ”效应、非线性屈曲效应、大变形效应等非线性影响因素。
(3) 完全的材料非线性：直接在材料应力-应变本构关系的水平上进行模拟，真实的反映了材料在反复地震作用下的受力与损伤情况；
(4) 显式积分，可以准确模拟结构的破坏情况直至倒塌形态。
(5) 接触与碰撞：区分结构杆件之间的接触碰撞，以及廊桥端部与塔楼之间的接触碰撞两种类型。
为了模拟钢材的极限破坏，开发了能够模拟钢材失效的本构模型，如图 3。混凝土选用基于损伤的弹塑性模拟，如图 4。
采用Abaqus通用有限元程序建立连廊结构的分析模型，梁、柱、斜撑等一维构件采用纤维梁单元B31，可考虑剪切变形。楼板、墙体等二维构件采用分层壳单元S4R，适合模拟分层钢筋和大变形。防撞击弹簧采用软件中的专用弹簧单元，根据小震分析的初步估算，弹簧的刚度系数定为16 000kN/m。
模型中每层楼面与每个塔楼之间设置三个防撞弹簧，每层9个弹簧，共计27个弹簧，编号设置见图 6。弹簧和廊桥之间有350mm的间距，当廊桥的水平位移小于350mm时，弹簧不发生作用，水平位移大于350mm时廊桥与弹簧发生接触碰撞。
采用5组天然波和2组人工地震波，三向输入，主次方向和竖向的幅值比值为1:0.85:0.65，最大峰值取为200gal，每组波交换主次方向进行两次计算，共计14个地震波输入工况。典型地震加速度时程曲线如图 7。
4. 支座碰撞计算结果分析
7度罕遇地震下27组弹簧的计算结果汇总见表 1，共有9组弹簧与廊桥碰撞，但均属于刚刚撞到的情况，撞击程度最大发生在上层楼面第7组弹簧的X向撞击，其撞击力仅623kN，远小于设计限定的4 000kN。
表 1 支座撞击力汇总弹簧所处楼层 弹簧编号 撞击力(kN) 7度罕遇 8度罕遇 下层 1 0 0 2 0 341 3 0 0 4 0 0 5 0 1 354 6 0 0 7 59 1 812 8 0 0 9 0 231 中层 1 0 0 2 70 400 3 0 0 4 0 0 5 74 1 656 6 0 0 7 334 2 358 8 0 124 9 85 246 上层 1 0 0 2 116 435 3 0 0 4 0 476 5 265 1 934 6 0 169 7 623 3 000 8 0 908 9 107 306 为进一步考察更大地震作用中的撞击情况，增加该组地震波的8度罕遇工况分析(峰值360gal)。最大撞击力3 000kN，小于4 000kN限值，弹簧变形未超过250mm。图 8~图 11分别为7度罕遇、8度罕遇地震下连廊与弹簧变形时程曲线，以及弹簧的内力(撞击力)时程曲线。
通过三个楼层的对比情况可知，下部楼层变形较小，上部楼层变形最大，从弹簧的撞击力上也可以反应出来。另外，T字形连廊具有“单轴”对称的特点。对于本结构来讲，廊桥沿Y向振动时为对称性的振动；沿X向振动为非对称性振动，扭转变形相对明显，具体表现为“倒T”字上端部(7号弹簧位置)振动响应最大，弹簧的撞击力也最大。最终都能满足最大撞击力限值的要求。
5. 其它变形指标及构件性能
罕遇地震下，结构处于稳定变形状态，满足“大震不倒”的抗震设防目标。其中X、Y两个方向的平均剪重比分别为19.2%和26.2%，廊桥两个楼层的层间位移角最大为X向1/193，Y向1/217，满足规范1/100的限值要求。
表 2 廊桥底部剪力与顶部位移响应响应类别 均值 包络 底部剪力(kN) X向剪力 61 401 77 547 剪重比 19.2% 24.2% Y向 83 829 110 802 剪重比 26.2% 34.6% 顶部位移(m) X向 0.263 0.375 Y向 0.230 0.312 表 3 廊桥层间位移角均值 包络 4层 X向 1/484 1/373 4层 Y向 1/250 1/193 5层 X向 1/563 1/439 5层 Y向 1/274 1/217 构件总体性能良好：柱脚钢管出现轻度塑性发展；最大塑性应变0.0 013；所有混凝土柱未出现压碎现象；楼面钢梁和桁架斜撑、柱间斜撑均未进入塑性；梁、柱、斜撑构件满足目标性能要求。钢板墙发生屈曲，但未进入屈服。
6. 结论
对上海国际金融中心大跨度连廊结构(三塔连体)进行罕遇地震下的碰撞分析研究，得到如下结论：
1) 7度罕遇地震下连廊与弹簧支座出现轻度撞击，最大撞击力623kN，小于4000kN限值；8度罕遇地震下最大撞击力3000kN，仍满足要求。
2) 在完成罕遇地震弹塑性分析后，廊桥结构仍保持直立，7组波平均最大楼层层间位移角满足小于1/100的要求。结构整体性能满足“大震不倒”的设防水准要求。
3) 钢管混凝土柱的钢管柱脚处出现轻度塑性发展，内部混凝土柱未发生受压损伤，满足预期性能目标；楼面钢梁、桁架斜撑及柱间斜撑处于弹性工作状态，未发生屈曲。钢板墙有局部失稳现象，将进一步采取措施。
-
表 1 支座撞击力汇总
弹簧所处楼层 弹簧编号 撞击力(kN) 7度罕遇 8度罕遇 下层 1 0 0 2 0 341 3 0 0 4 0 0 5 0 1 354 6 0 0 7 59 1 812 8 0 0 9 0 231 中层 1 0 0 2 70 400 3 0 0 4 0 0 5 74 1 656 6 0 0 7 334 2 358 8 0 124 9 85 246 上层 1 0 0 2 116 435 3 0 0 4 0 476 5 265 1 934 6 0 169 7 623 3 000 8 0 908 9 107 306 
下载: 导出CSV
表 2 廊桥底部剪力与顶部位移响应
响应类别 均值 包络 底部剪力(kN) X向剪力 61 401 77 547 剪重比 19.2% 24.2% Y向 83 829 110 802 剪重比 26.2% 34.6% 顶部位移(m) X向 0.263 0.375 Y向 0.230 0.312
下载: 导出CSV
-
[1] 黄坤耀, 孙柄楠, 楼文娟.连体刚度对双塔连体高层建筑地震相应的影响[J].建筑结构学报, 2001, 22(3):21-26. https://www.wenkuxiazai.com/doc/e794f9c00b4e767f5bcfceb5.html [2] 刘晶波, 李征宇, 石萌, 等.大跨高层连接体建筑结构动力分析[J].建筑结构学报, 2004, 25(1):45-52. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB200401005.htm [3] 陈文兵, 唐家祥.水平任意向地震输入下双塔楼连体结构的动力分析[J].振动与冲击, 2003, 22(1):29-32. http://industry.wanfangdata.com.cn/yj/Detail/Periodical?id=Periodical_zdycj200301008 [4] JINKOO KIMA, JINGOOK RYUA, LAN CHUNG. Seismic performance of structures connected by viscoelastic dampers[J].Engineering Structures, 2006, 28(2):183-195. DOI: 10.1016/j.engstruct.2005.05.014
[5] 王灵, 吕西林.双塔楼弱连接连体高层建筑结构抗震性能研究[J].四川建筑科学研究, 1999(3):48-51. http://www.doc88.com/p-91694490383.html [6] 黄克华. 阻尼器在连体结构中的振动控制作用研究[J]. 四川建筑科学研究. 2008年6月 [7] 姚江强. 地震作用下高层柔性连接连体结构碰撞分析[D]. 南昌大学, 2010 [8] 上海国际金融中心廊桥罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析报告[R]. 2012
计量
- 文章访问数: 1019
- HTML全文浏览量: 651
- PDF下载量: 12
