不同結構形式的高層建筑的風振響應分析

潘樂鵬 張文祥 任淑萍 胡子良 郁 雯*

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室,河北 張家口 075000)

0 引 言

現如今,城市用地隨著人口的不斷增多正變得越來越緊張,越來越多的建筑向著高層甚至超高層方向發展,像風這類的水平荷載對建筑的影響也越來越大.

目前,許多學者對高層建筑的風振響應問題進行了研究,風振響應是在脈動風作用下產生的,王修瓊教授對脈動風譜中的Davenport譜系數K與地面粗糙度關系進行了研究[1],在計算高層建筑風振響應時,對風譜的使用進行了優化,提高了高層建筑中風振響應計算時數據的準確性;在進行風振響應計算時,大多數采用軟件模擬的方法,像朱潔和劉潤富首先利用MATLAB軟件進行風速時程響應分析,然后通過ANSYS軟件進行高層建筑的風振響應計算,得到建筑物頂端的加速度時程響應,并對建筑物的舒適度進行了研究[2,3];王新鋒利用ABAQUS軟件進行風振響應分析,并為高層建筑剪力墻的布置提供了一些建議[4].這些研究,都體現出研究風對高層建筑的重要性.

為了比較框架核心筒與剪力墻這兩種結構形式在受到風荷載作用下,表現出的不同振動響應情況,本文使用ANSYS軟件,建立起這兩種結構形式的有限元模型,借助王修瓊教授對Davenport譜的研究,分析出這兩種結構形式在風荷載作用下的動力響應的不同.

1 有限元模型

1.1 工程概況

運用ANSYS軟件進行有限元模型的建立,案例一為框架核心筒結構[5],如圖1所示,案例二為剪力墻結構,如圖2所示.均采用總層數為28層,層高為3m,總高度為84m,長為36m,寬為26m的模型.采用鋼筋混凝土作為工程中構件材料.

圖1 框架核心筒結構 圖2 剪力墻結構

在進行模型建造時,選用合理的構件尺寸,兩種模型的尺寸規格如下表所示.

表1 框筒結構構件截面尺寸表

表2 剪力墻結構構件截面尺寸表

將建立好的模型進行布爾運算,對模型中重疊構件進行合理劃分.框筒結構共有2296個構件,剪力墻結構共有2072個構件.

1.2 材料屬性

本案例構件中采用的材料均為鋼筋混凝土,在定義材料時,為計算方便,將鋼筋與混凝土兩種材料作為一種新材料插入到軟件中,材料屬性如表3所示.

表3 材料屬性表

對于材料的拉壓特性,將鋼筋的抗拉強度作為新材料的抗拉屈服強度,強度為2.95×108Pa,混凝土的抗壓強度作為新材料的抗壓屈服強度,強度為2.5×108Pa.

2 模態分析

將樓面恒荷載和活荷載以均布力的形式施加到樓板上,底部采用固接方式.通過ANSYS中的Workbench平臺,進行靜力學分析,完成靜力學分析后,進行結構的前八階的模態響應分析[6,7],得到兩種結構的各階響應頻率和變形情況.現將前三階的變形圖和前六階的振型情況列出,如下所示.

一階振型 二階振型 三階振型 一階振型 二階振型 三階振型圖3 框筒結構前三階振型圖 圖4 剪力墻結構前三階振型圖

表4 框筒結構各階振型表

表5 剪力墻結構振型表

通過模態分析結果,得到了兩種結構形式的前8階的自振頻率和振型特點.根據表格,可以得出:在前三種模態響應中,前兩種為不同方向上的平動,第三種為轉動.框筒結構的一階自振周期為1.318s,剪力墻結構的一階自振周期為1.286s.框筒結構最大變形為第一階扭轉振型,變形量為0.41mm,剪力墻結構最大變形也為第一階扭轉振型,變形量為0.49mm,兩種結構形式模態的最大變形都不超過1mm.

3 響應分析

3.1 響應計算

根據建筑結構荷載規范[8],本案例層高大于30m,并且第一階自振周期大于0.25s,考慮脈動風對高層建筑振動的影響,風譜選用目前最具有代表性的Davenport譜.其表達式為

(1)

根據建筑結構荷載規范,地面粗糙度類別選擇B類,10m高度處平均風速取10.7m/s.根據文獻[1]K取0.00215.可以得到風速功率譜密度函數[9],如右圖所示.

圖5 風速譜密度曲線

將功率譜密度函數輸入到Ansys Workbench中,沿z軸方向施加脈動風頻率譜,進行動力響應[10]計算.

3.2 結果分析

計算完成后,選取模型中響應最大的節點,來反映風振響應的位移變化情況.根據模態分析中測得的各階頻率,得到節點在該頻率下的變化情況,左側為框筒結構產生的位移,右側為剪力墻結構產生的位移,如下表.

表6 節點部分頻率下的位移

通過風振響應的結果,框筒結構和剪力墻結構的最大的節點位移均位于頂層處,兩種結構均在第一階固有頻率下達到最大位移,框筒結構最大位移為0.4mm,剪力墻結構最大位移為0.42mm,可以求得框筒結構的最大加速度為0.23m/s2,剪力墻結構的最大加速度為0.25m/s2,兩種結構的位移量差距不大,根據其他頻率下結構產生的位移,框筒結構受風作用產生的位移量小于剪力墻結構產生的位移,說明框筒結構形式的抗風性能略好于剪力墻結構的抗風性能.

4 結 論

根據基于ANSYS軟件風荷載作用下不同結構形式的風振響應的模擬,得到以下結論:

(1)求得兩種結構形式的自振頻率和變形情況,并均在第一階扭轉振型下產生最大變形,框筒結構的最大變形小于剪力墻結構.

(2)兩種結構形式在風荷載作用下時,風振響應的最大位移和最大加速度均在第一階頻率時產生.

(3)通過兩種結構的最大位移和加速度比較,框筒結構形式的抗風性能優于剪力墻結構的抗風性能.