強風(fēng)對高層鋼框架結構的影響分析
比較研究了高層鋼框架結構受不同強度風(fēng)荷載作用后的位移和內力的變化情況，探討了高層鋼框架結構受不同風(fēng)荷栽作用后的整體損傷情況，估算了臺風(fēng)對高層鋼框架結構的損傷累積值的上限。
隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，質(zhì)量更小、強度更高的建筑材料不斷涌現，從而使得高層鋼框架結構的剛度和阻尼不斷下降，對風(fēng)荷載的敏感性卻進(jìn)一步增強。高層鋼框架結構受風(fēng)荷載作用所產(chǎn)生的疲勞損傷問(wèn)題以及由此引起的結構過(guò)大反應導致其無(wú)法滿(mǎn)足正常使用要求等問(wèn)題日顯突出，因此分析強風(fēng)對高層鋼框架結構的影響，對于高層鋼框架結構設計和現役高層鋼框架結構壽命的預測有著(zhù)重要的實(shí)際工程意義。
2005年，蘇啟旺u 3系統研究了既有建筑物產(chǎn)生損傷后，其動(dòng)力特性診斷參數識別損傷的內在機理和神經(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(fēng)對廈門(mén)市各類(lèi)建筑工程及其附屬設施的影響，并總結了此次臺風(fēng)區別于20世紀50-80年代同類(lèi)臺風(fēng)的新特點(diǎn)；雖然廖河山等總結了建筑物受到臺風(fēng)作用的破壞情況，但是沒(méi)有深入地分析建筑物的損傷情況。2006年，楊柯等口3基于有限元模型導出了多自由度系統和實(shí)測臺風(fēng)數據，對深圳地王大廈進(jìn)行了非線(xiàn)性數值模擬，并比較和研究了振幅相關(guān)阻尼與一系列常數阻尼對各種強度的臺風(fēng)激勵下結構響應的影響，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。2007年，王世村等‘4 3采用隨機裂紋擴展模型對高聳結構的風(fēng)振疲勞問(wèn)題進(jìn)行了分析，其考慮了平均風(fēng)速的概率分布和時(shí)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(fēng)速時(shí)程樣本，而根據MonteCarlo法得出了裂紋長(cháng)度的概率分布，王世村等對高聳結構風(fēng)振疲勞問(wèn)題進(jìn)行的分析給框架結構風(fēng)振疲勞問(wèn)題的分析打下了基礎。2008年，俞劍勇等口3結合我國首座海上風(fēng)力發(fā)電項目，就設計中的鋼結構疲勞問(wèn)題進(jìn)行了分析，為鋼結構抗疲勞設計提供了借鑒。另外，張相庭等。6一對風(fēng)荷載時(shí)程模擬以及城市風(fēng)災經(jīng)濟損失模型等進(jìn)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(jìn)行了理論和風(fēng)洞試驗的比較研究。
本文將在以上學(xué)者研究的基礎上，深入研究強風(fēng)對高層鋼框架結構的影響。對于強風(fēng)荷載的加載方式和計算方法，本文根據臺風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程，按照時(shí)間△�。ā鞫∪�10 min）將實(shí)際臺風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程劃分為5個(gè)階段，按照國家規范J 3的要求，再將結構的風(fēng)振動(dòng)力響應計算轉化為等效靜力風(fēng)荷載的計算。最后，針對高層鋼框架結構抗風(fēng)最薄弱的方向，運用ANSYS分析軟件對受到強風(fēng)作用后的高層鋼框架結構進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，以期分析強風(fēng)對高層鋼框架結構的破壞和損傷情況。
通過(guò)ANSYS分析可以看出，高層鋼框架結構受強風(fēng)作用后：1）當基本風(fēng)壓大于1.2 kN/IT12時(shí)結構頂點(diǎn)的側向位移過(guò)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(zhù)風(fēng)壓的增大而增大；3）結構整體的損傷值隨著(zhù)基本風(fēng)壓的增大而增大。
1 基礎理論、計算方法和結構模型
1.1 基礎理論
風(fēng)對建筑物具有靜力和動(dòng)力兩種作用，靜力作用主要為平均風(fēng)作用于建筑物后引起建筑物變形和內力的重分布，動(dòng)力作用主要為脈動(dòng)風(fēng)作用于建筑物后引起建筑物的抖搌和自激振動(dòng)。我國規范‘71將結構的風(fēng)振動(dòng)力響應計算轉化為等效靜力風(fēng)荷載的計算，從而將結構的動(dòng)力響應計算轉化為簡(jiǎn)單的靜力分析。但是規范只考慮極限狀態(tài)沒(méi)有考慮強風(fēng)對建筑物的時(shí)程影響。本文根據實(shí)際臺風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程（圖1），按照時(shí)間AT（AT取10 min）將實(shí)際臺風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程劃分為數個(gè)小的階段（圖2），在每一階段按照我國規范‘i：的要求將等效靜力風(fēng)荷載施加到高層鋼框架結構上。
根據結構動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行結構損傷診斷的基本原理∞]：結構的模態(tài)參數（固有頻率、模態(tài)振型等）是結構物理特性（質(zhì)量、阻尼和剛度）的函數，結構物理特性的改變會(huì )引起系統動(dòng)力響應的改變，利用結構損傷前后模態(tài)參數的改變可以很直觀(guān)地進(jìn)行損傷識別。
高層鋼框架結構的風(fēng)振疲勞損傷屬于隨機變幅損傷問(wèn)題，對該問(wèn)題的研究以累積損傷理論為基礎，即結構在交變應力作用下的疲勞損傷是一個(gè)累積的過(guò)程，如Miner線(xiàn)性累積損傷理論。通常認為交變應力的每一個(gè)循環(huán)都將造成一定的疲勞損傷，對于結構受變幅交變應力作用的情況，結構總的疲勞損傷量可以通過(guò)把各不同幅值的應力循環(huán)造成的疲勞損傷按適當的原則累加而得到。當結構總的疲勞損傷量達到某一數值時(shí)就將發(fā)生疲勞破壞。
1.2風(fēng)荷載酌計算方法
風(fēng)荷載按照GB 50009 - 2001中規定的方法計算，即垂直于高層鋼框架結構表面上的風(fēng)荷載標準值為：
對于強風(fēng)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(fēng)為例。9]，“桑美”臺風(fēng)登陸時(shí)風(fēng)力17級，風(fēng)速60 m/s，最大風(fēng)速75.8 m/s，根據“桑美”臺風(fēng)的風(fēng)速換算可知其最大基本風(fēng)壓為2. 25 kN/rf12。以“桑美”臺風(fēng)為基礎選取基本風(fēng)壓分別為0.6，0.8，1.0，1.2，1.5 kN/rr12的情況，分別設為工況l-工況5用U，Ul，U。，U。，U。表示，按照我國規范‘7 3的要求將等
效靜力風(fēng)荷載施加到高層鋼框架結構上。運用ANSYS分析不同基本風(fēng)壓對高層鋼框架結構的影響。
經(jīng)計算，5種工況下對高層鋼框架結構的風(fēng)荷載標準值見(jiàn)表1，高層鋼框架結構的風(fēng)壓見(jiàn)圖3。
1.3 結構模型
目前在辦公樓建筑中，高層辦公樓一般采用框架承重、填充墻作為圍護構件的結構形式。本文選取了一個(gè)比較典型的高層鋼框架結構辦公樓(14層)進(jìn)行各種工況下的受力分析。具體參數如下：
1)建筑物結構：樓層層高統一為3.2 m，結構總高為44.8 m．結構總長(cháng)為37.5 m，結構總寬為16 m。
2)構件尺寸：在本結構體系中，梁為工字梁，采用統一的截面尺寸：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(lèi)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 工程應用
2.1 風(fēng)荷載分析
應用ANSYS軟件對建筑物進(jìn)行靜力和模態(tài)分析步驟如下：1）以桿系一層模型為基礎，選用AN-SYS中的Beam 188單元和Shell 163單元建立結構整體模型；2）根據鋼材和混凝土的本構關(guān)系定義結構各部分的屬性；3）將高層鋼框架結構每層的風(fēng)壓值平均分配加于結構柱上，如圖3所示；4）對AN-SYS運行的結果進(jìn)行分析。
2.1.1 風(fēng)荷載靜力學(xué)分析
1)結構樓層位移和層間位移分析。經(jīng)過(guò)AN-SYS靜力學(xué)分析，風(fēng)荷載作用后高層鋼框架結構層間位移見(jiàn)衷2。根據表2的數據，得出高層鋼框架結構受風(fēng)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(fēng)壓的作用下，結構層間位移的分布情況相似，結構的最大層間位移都出現在4層，結構第4層的突變最嚴重；當基本風(fēng)壓為1.5 kN／m-時(shí)，結構第4層的層間位移角為o．004，大于高層鋼框架結構層間位移角要求的0.003 3。從最大層間位移可以看出，當高層鋼框架結構受到強風(fēng)襲擊后結構第4層最容易產(chǎn)生破壞。
2)基底內力。風(fēng)荷載作用后對高層鋼框架結構底端總內力進(jìn)行計算，得到基底剪力F、軸力Fx和彎矩M。列入表3。
本文章由海南康氏力拓空間鋼結構公司小編整理發(fā)表，官網(wǎng)：www.itenniscoach.cn
