特大地震下超高层建筑的倒塌模拟_卢啸
超高层建筑地震响应分析与抗震设计研究
超高层建筑地震响应分析与抗震设计研究随着全球城市化进程的加速和科技的不断进步，人类开始涉足建造越来越高的建筑。
同时，地震作为一种自然灾害，也不时地向我们提醒着人类的脆弱性。
当这两者相遇时，如何保证建筑的抗震性，才能确保建筑的安全性，是一个值得探究和解决的问题。
本文将分为两个章节，第一章将介绍超高层建筑地震响应的分析方法，第二章将阐述超高层建筑的抗震设计研究，相信读者可以通过本文了解到相关领域的基础知识。
一、超高层建筑地震响应分析超高层建筑地震响应受到多个因素的影响，如建筑物自身的刚度、耗能能力等，同时不同地震波对建筑物的影响也不同，因此需要对超高层建筑进行地震响应的分析。
（一）建筑的自振频率超高层建筑的自振频率会直接影响到建筑物的响应，当自振频率与地震波频率相同时，会产生共振，导致建筑物更容易发生破坏。
因此，需要进行自振频率的研究。
（二）地震波特性地震波的特性是超高层建筑地震响应的重要因素之一，在进行分析时需要考虑到地震波的产生时间、震级、震源距离等因素。
同时，还需要对地震波进行滤波处理，以消除高频噪声等对分析结果的影响。
（三）建筑物的动力特性建筑物的动力特性决定了建筑物在地震作用下的响应，包括自身的刚度、质量、减震等因素。
因此，在进行地震响应分析时，需要对建筑物的动力特性进行综合考虑，以对建筑物的抗震性进行评估。
二、超高层建筑抗震设计研究超高层建筑的抗震设计是指在地震作用下，建筑物保持稳定和正常使用的能力。
在进行抗震设计时，需要全面考虑超高层建筑的结构体系、材料强度、减震装置等方面的因素，并通过数值模拟等手段进行验证。
（一）结构体系设计超高层建筑的结构体系是指建筑物中承受地震作用的结构系统，包括钢筋混凝土框架结构、金属框架结构、混凝土钢管柱结构等。
在进行抗震设计时，需要对不同结构体系的抗震性能进行评估，并选择最为适合的结构体系。
（二）材料强度和质量控制在超高层建筑的抗震设计中，材料的强度和质量在保证建筑物抗震性能方面起着重要的作用，特别是在遇到地震等强外力的情况下，优质的材料可以有效地保障建筑物的结构性能和耗能性能。
超强台风下导管架平台倒塌机理与动力灾变模拟研究
2023-10-30contents •引言•导管架平台概述•超强台风下的动力灾变模拟•倒塌机理与灾变模拟结果分析•抗风设计优化与加固措施•结论与展望目录01引言导管架平台在海洋工程中具有重要地位，但其在超强台风下的安全性能面临严重挑战。
研究意义在于揭示超强台风下导管架平台的倒塌机理，为平台结构的优化设计和抗风能力的提升提供理论支持。
研究背景与意义国内外学者在导管架平台设计、建造和抗风性能方面已取得一定成果，但关于其倒塌机理的研究仍较为薄弱。
当前研究中存在的主要问题包括：台风作用下导管架平台的破坏模式、能量转化与释放机制、关键影响因素以及如何进行动力灾变模拟等方面。
研究现状与问题研究内容分析台风作用下导管架平台的动力响应和破坏过程，研究关键影响因素对倒塌机理的作用机制，提出相应的抗风设计和优化措施。
研究方法采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，构建导管架平台在台风作用下的动力灾变模型，分析倒塌过程中能量转化与释放机制，揭示其倒塌机理。
研究内容与方法02导管架平台概述导管架平台的结构组成导管架平台的结构主要由上部平台、导管架和桩基组成。
上部平台包括工作平台和钻井平台等部分，是工作人员进行作业和休息的场所。
导管架是平台的支撑结构，由钢材焊接而成，其高度和形状根据平台的类型和作业需求进行设计。
桩基是平台的支撑基础，由钢筋混凝土桩或钢管桩组成，埋入海底一定深度，将导管架支撑在海面上。
导管架平台的力学特性导管架平台的力学特性主要包括静力学特性和动力学特性两个方面。
静力学特性主要指平台的承载能力和稳定性，即在静力作用下平台的变形和破坏情况。
动力学特性主要指平台在动力作用下的响应和稳定性，如地震、风浪等自然力作用下平台的振动和倾覆等情况。
0102031导管架平台的倒塌机理23导管架平台的倒塌机理主要是指在自然灾害或人为因素的作用下，平台失去稳定性，导致结构破坏和倒塌。
常见的倒塌原因包括地震、台风、海啸等自然灾害，以及设计不当、施工误差、材料缺陷等人为因素。
最小地震剪力系数对超高层建筑结构抗震性能的影响
震准则，但 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规 程》［3］第 4． 3． 12 条也采用了与规范 GB 50011—2010 相同的规定。
按规范要求，在结构抗震设计验算过程中，对地 震剪力系数 不 满 足 最 小 地 震 剪 力 系 数 的 楼 层，应 进 行相应的调整使之符合规范要求。虽然我国规范中 给出了一些 调 整 楼 层 剪 力 的 建 议，但 是 在 实 际 建 筑 超限审查中，多采用调整结构刚度（ 周期） 的方法，使 振型分解法计算得到的楼层剪力满足最小地震剪力 系数要求。而在实际设计中发现，对于超高层建筑， 通过调整刚度很难完全满足规范中关于最小地震剪 力系数的要求［2］。以 8 度Ⅱ类场地第一分组（ Tg = 0． 35 s） 为例，其设计反应谱和最小地震剪力系数如 图 1 所示。可见，当结构周期大于 6． 0 s 后，反应谱 谱值明显小于最小地震剪力系数的限值，周期越长， 相差越多。这也就意味着对于超过 6 s 的超长周期 段，即使是一个同等周期的单自由度结构，按底部剪 力法计算得到的最小地震剪力系数也不能满足规范 的要求。而 对 于 多 自 由 度 结 构，由 于 仅 取 了 前 面 有 限阶振型，用 振 型 分 解 反 应 谱 法 计 算 的 基 底 总 剪 力 一般会小于同等周期和质量的单自由度结构的。现 有的超高层建筑结构的周期一般都在 6 ～ 10 s 之间， 所以其抗震验算时利用振型分解法计算得到的地震 剪力系数很难满足现行规范中最小地震剪力系数的 要求。而要完全满足规范中最小地震剪力系数的规 定，必须将结构周期降低到 6 s 以下，这非常不经济 而且也是很难实现。
超高层建筑设计中的抗震设防与防风措施
超高层建筑设计中的抗震设防与防风措施近年来，随着城市化进程的不断加速，超高层建筑在城市中的地位越来越重要。
然而，无论是自然因素的地震还是气象因素的风灾，都会对高楼大厦造成极大的破坏甚至倒塌。
因此，在超高层建筑设计中，抗震设防与防风措施是至关重要的。
抗震设防对于超高层建筑而言，抗震设防是保证安全的首要任务。
毕竟，在发生地震时，一旦高楼大厦发生倒塌，后果不堪想象。
因此，在超高层建筑的设计中，抗震设防应该成为设计师们的首要任务。
首先，超高层建筑的基础设计应该具备较强的承重能力和抗震能力。
因此，在设计基础时，应该考虑地基的土层情况，确定基础的深度和底面积，确保基础的稳固性，从而实现超高层建筑的抗震强度。
其次，在超高层建筑的设计中，应该采用钢结构、框架结构或加强混凝土结构。
这些结构模式不仅具备较强的抗震能力，同时能够分担超高层建筑的自重荷载，减小建筑抗震工作量。
而且这些结构材料的可靠性较高，能够减少建筑物碰撞后的破裂或断裂。
另外，对于超高层建筑的设计中，还应该考虑到其在舒适性和重力下的抗震性。
一般情况下，超高层建筑在发生地震时，会产生大量摇晃，从而导致居住者的不适。
因此，在设计超高层建筑时，应该采用减震器、阻尼器等减震装置，从而减少超高层建筑在地震中的摇晃，提高其经济和环保性。
防风措施除了抗震设防，防风措施在超高层建筑设计中同样重要。
从气象要素分析来看，年份风灾在超高层建筑中造成的损失远大于地震。
因此，在超高层建筑的设计中，防风措施不可或缺。
针对超高层建筑在遭受强风时所面临的危险性，可采取以下的防风措施：首先，超高层建筑的结构设计要基于强风场的风速进行考虑。
通过精细的风场模拟和动态载荷测试，预测超高层建筑可能遭受的风速，并在设计时充分考虑该风速下所需要的结构强度和稳定性。
其次，采用避风带、凹陷窗或穹顶等设计进行防风。
这些设计可以极大的降低建筑在风灾中产生的损失和破坏。
另外，还应当对超高层建筑进行风洞试验和结构检查。
中大震作用下高层建筑抗震性能分析及其构造措施探讨
中大震作用下高层建筑抗震性能分析及其构造措施探讨摘要：对于超高层建筑或者超限结构来说应当对结构采取中、大震下的抗震性能分析，本文通过结合某高层结构设计实例，除了对该结构采取小震弹性分析外，还将增加“中震不屈服”、“中震弹性”等方法对结构关键构件进行设计，控制结构的抗震性能。
通过中、大震的抗震性能分析提出可行的抗震构造措施，为同类结构提供指引。
关键词：结构设计；超高层结构；抗震分析；抗震构造措施Abstract: For tall building or overrun structure for ought to the structure of the earthquake, take the seismic performance analysis, this paper through the combination of a high-rise structure design example, in addition to the structure of small earthquakes to elastic analysis outside, still will increa se “the shock of do not yield”, “the shock of the elastic” method of key component structure design, control structure seismic performance. Through the aseismatic performance of strong earthquakes, and analysis the feasible seismic structural measures, to provide direction for the similar structure.Key words: Structure design; Super-tall structures; Seismic analysis; Seismic construction measures1．工程概况本项目定位为创造高品质的、包含超高层超甲级写字楼及商业性办公楼，形成新型的商业聚落空间及城市综合体。
罕遇地震下高层建筑弹塑性动力时程反应分析
２ ０ １０ 年 ９ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣｒＵＲＥ
Ｖ０． ６ Ｎｏ ２ １３ ． ７
Ｓ ｐ ２ １ ｅ． ００
・７ ・ ５
文章 编 号 ：０ ９６ ２ （０ ０ ２ —０ ５０ １ ０ —８ ５ ２ １ ）７０ ７ —２
钢筋模拟成两块钢筋板 ， 矩形梁共 需要 ５ ２十２ｘ６ ＝６ ０个高斯 １ ４ ４ 积分点 。钢筋混 凝土 柱 ： 可以将 四周钢筋 模拟 成 四块 钢筋板 ， 其
平 面和竖 向均不规则 Ｂ级 高度 高层建 筑进 行 了罕遇 地震 下动
力弹塑性 时程分析 ， 评估 了该结构抗震性能 。
２ 结 构和 有限 元模型
小 。结合建筑的平立面布置 ， 楼单体采 用钢筋混凝 土框 架一 核 塔 心筒体 系。楼面采 用钢筋 混凝土 现浇楼 板 ， 围柱 子 ， 外 根据计 算
需要 ， 采用 型钢混凝 土柱 ， 以满 足结构设 计 的需要 。该结 构抗震
３ １ 结 构楼层 最 大 响应 曲线 ．
结构 弹塑性动力时程分析采用 了 Ｓ ＨＷ３地震动时程 曲线 ， 并 分别得到各条 时程 的楼层位移 、 层间位移角曲线 ， 图 １ 如 ～图 ４所 示 。可 以看到 ： 在罕遇地震作用 下该塔楼两个 方 向的最大层 间位
罕遇 地 震 下 高层 建 筑 弹 塑性 动 力 时程 反 应 分 析
刘 福 章
摘 要： 通过对一平面及 竖 向均不规则且高度超 限的高层建 筑进 行的罕遇地震 下动力弹塑性时程分析 ， 评估 此类结构在
罕遇地震作用 下的抗震设计 。
关 键 词 ： 层 建 筑 ， 遇 地 震 ， 力 弹 塑性 时程 分 析 高 罕 动 中 图分 类 号 ： ９ ３ ２ ＴＵ ７ ．５ 文献 标 识 码 ： Ａ
107-基于减振子结构的超高层建筑地震楼面加速度控制-张磊
张磊 1, 陆新征 2,*, 解琳琳 3, 卢啸 4, 叶列平 1
(1. 清华大学北京市钢与混凝土组合结构工程技术研究中心，北京 100084；2. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084； 3. 北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；4. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)
(b) 含减振子结构的巨柱－核心筒－伸臂体系结构 (b) Super-tall mega column-core tube-outrigger building with VRS 图 1 减振子结构设计方案
3 分析模型与地震动集合
300m 超高层建筑及其弯剪耦合模型 根据国际高层建筑与城市住宅委员会(Council on Tall Buildings and Urban Habitat，CTBUH)的建议，超过 300m 的建筑物一般列为超高层建筑物。本文选取 300m 高度的超高层作为研究对象。 由于精细有限元模型计算量过大、耗时长，不便于进行大量地震响应分析。同时，在前期的研究中， Lu et al. [21]、Xiong et al. [22]等研究者都充分论证了 Miranda and Taghav [23]提出的弯曲-剪切耦合的连续化模 型（以下简称弯剪耦合模型）(如图 2 所示)可以很好的模拟超高层建筑的地震响应，并且具有很高的计算 效率。故本文采用该弯剪耦合模型来近似模拟超高层结构在中小地震作用下的弹性反应。由于 300m 实际 结构的基本周期通常在 5~6s [24]，因此，本文将针对结构一阶周期 T1 为 4s、5s、6s、7s 这 4 种情况进行探 讨。 根据 CTBUH 给出的 300m 左右结构的建筑面积信息以及我国《全国民用建筑工程设计技术措施: 结 构（结构体系） 》[25]建议的钢筋混凝土结构高层建筑单位面积的自重标准值，可以近似估算出 300m 结构的 质量范围，最终将模型的质量拟定为 20 万 ton。 根据美国太平洋地震研究中心 TBI [26]的建议，中小地震作用下超高层结构的阻尼比取为 2.5%。 3.1
高层建筑结构地震损伤与倒塌分析
高层建筑结构地震损伤与倒塌分析随着城市化进程的加快，高层建筑结构在地震灾害下的安全问题越来越受到人们的。
本文将围绕高层建筑结构地震损伤与倒塌进行分析，探讨其研究现状、影响因素、研究方法以及未来研究方向。
地震是一种常见的自然灾害，具有不可预测性和极强的破坏性。
在地震作用下，高层建筑结构可能发生不同程度的损伤和倒塌，给人们的生命财产安全带来严重威胁。
因此，开展高层建筑结构地震损伤与倒塌分析，对提高结构的抗震性能、保障人民生命安全具有重要意义。
高层建筑结构地震损伤与倒塌研究已有近百年的历史。
早期的研究主要集中在经验公式和定性分析方面，随着计算机技术和数值模拟方法的发展，现在的研究更加注重精细化、定量化和系统化。
目前，国内外学者对高层建筑结构地震损伤与倒塌的研究主要集中在以下几个方面：（1）地震作用下的结构响应和损伤机制；（2）结构倒塌的判断准则和影响因素；（3）抗震设计和优化方法。
虽然已经取得了一定的研究成果，但仍存在以下不足之处：（1）地震损伤和倒塌机制的认识尚不充分；（2）研究方法和技术有待进一步提高；（3）抗震设计和优化方法的应用范围有待拓展。
本文采用文献综述和理论分析相结合的方法，对高层建筑结构地震损伤与倒塌进行深入探讨。
对国内外相关文献进行梳理和评价，总结前人的研究成果和不足之处；运用数值模拟技术，对高层建筑结构在地震作用下的响应和损伤进行模拟分析；根据模拟结果，对结构的倒塌机制和判断准则进行探讨。
通过数值模拟，我们得到了高层建筑结构在地震作用下的响应和损伤情况。
结果显示，结构的损伤主要发生在底部几层，且呈现出明显的非线性特征。
我们还发现，当地震烈度较高时，结构可能发生整体倒塌。
针对这些结果，我们进行了深入讨论。
底部的损伤可能与基础设计有关，因此需要对基础进行优化设计，以提高其抗震性能。
整体倒塌可能与结构体系的设计有关，因此需要加强结构体系的整体性和稳定性。
我们还发现，结构的自重、刚度、阻尼等参数对结构的响应和损伤也有较大影响，因此需要对这些参数进行合理调整。
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关键词 超高层结构 倒塌模拟 特大地震 有限元
自 2004 年世界上第一座超过 500 m 的超高层建 筑(台北 101 大厦)建成以来, 国内外兴起了新的一轮 500 m 级以上的超高层建筑的建设热潮, 2010 年迪拜 建成的哈利法塔高度达到了 828 m, 成为了世界第一 高度的建筑. 随着我国经济快速发展, 超高层建筑的 发展也极其迅猛, 目前仅在建的 600 m 以上超高层建 筑就超过 3 栋, 数量上已在世界独占鳌头. 根据国际 高层建筑与城市住宅委员会(CTBUH)2010 年的统计 数据显示(/): 截至 2010 年, 世界上高度超过 300 m 的在建或已建成的超高层建 筑约有 120 栋, 主要分布在中国、阿拉伯联合酋长王 国和美国, 分别有 47 栋(包括台湾 3 栋)、28 栋和 18 栋. 超高层建筑的发展, 也促进了新型结构体系和新 型巨型结构构件的发展. 与此同时, 由于传统实验研 究方法难以开展, 超高层建筑抗震安全、尤其是特大 地震下的抗倒塌能力成为急需研究的重要课题. 振动台试验是研究和检验新型建筑结构整体抗
1406
[8]
成为目前国内外抗震研究的重要前沿方向. 本文在国家自然科学基金重大研究计划 “重大工 程的动力灾变”的支持下, 建立了目前国内最高建筑 — —结构高度为 632 m 的上海中心大厦的有限元模型, 并模拟了上海中心大厦在特大地震下倒塌的全过程 , 分析了破坏模式和倒塌机理 , 其方法可为研究超高 层结构地震破坏机理和抗震设计方法提供参考.
2.3
伸臂桁架、外框架构件等构件
外框架、环向桁架、伸臂桁架以及塔顶均采用工 字型钢梁, 结构分析时采用纤维梁单元进行模拟. 为 了保证计算精度, 工字型钢梁的翼缘和腹板均设置 9 个积分点, 全截面共有 27 个积分点, 纤维梁模型已 经在弹塑性分析中得到广泛的应用 , 其计算精度也 得到验证[22~25].
图3
混凝土应力应变骨架线
2
有限元模型
为满足超高层结构地震倒塌模拟的复杂结构建
模、 强非线性分析和高性能计算需求, 本文以非线性计 算性能良好的大型通用有限元软件 MSC.MARC 为平 台, 结合清华大学开发的材料本构模型、 单元本构模型 和单元生死准则, 建立了上海中心大厦的有限元模型. 模型中包含了 4 种不同的单元类型: 空间梁单元 模拟外框架和桁架; 分层壳单元模拟剪力墙; 空间杆 单元模拟部分钢筋和型钢钢骨; 膜单元模拟楼板, 详 细介绍如下.
1
基本工程概况
上海中心大厦位于上海陆家嘴, 是一栋以甲级写
字楼为主的综合性超高层建筑(图 1), 主体塔顶建筑高 度 632 m, 结构屋顶高度约 580 m, 共 124 层, 采用“巨 柱-核心筒-伸臂桁架”的混合抗侧力体系(如图 2), 该 体系的主要组成如下. 1) 核心筒主体为一个边长约 30 m 的方形钢筋 混凝土筒体, 核心筒底部翼墙厚 1.2 m, 随高度增加 核心筒墙厚逐渐减小, 顶部厚 0.5 m; 核心筒内腹墙 厚度由底部的 0.9 m 逐减薄至顶部的 0.5 m. 由于建 筑功能的要求 , 核心筒的角部在第五区以上被逐步 切去, 最终形成一个十字形核心筒[4, 15].
图5
分层壳示意图 1407
卢啸等: 特大地震下超高层建筑的倒塌模拟
图6
典型节段核心筒有限元模型
(a) Zone 1~5 核心筒; (b) Zone 4 和 Zone 5 交界处核心筒; (c) Zone 6 和 Zone 7 交界处核心筒
面外弯曲的耦合作用 , 文献 [19~21] 验证了分层壳模 型在模拟剪力墙时的准确性和高效性 . 典型节段的 核心筒有限元模型如图 6 所示.
英文版发表信息:
Lu X, Lu X Z, Zhang W K, et al. Collapse simulation of a super high-rise building subjected to extremely strong earthquakes. Sci China Tech Sci, 2011, 54: 25492560, doi: 10.1007/s11431-011-4548-0
图1
三座超高层的位置示意效果图(来源: 东方网)
中国科学: 技术科学
2011 年
第 41 卷
第 11 期
按美国学者 Hongnestad 表达式选取, 下降段为斜直 线, 并保持 0.3fc 的残余强度, 其中 fc 为峰值压应力, 其标准化的等效塑性应变和应力的关系[17]如图 3 所 示 . 混凝土材料受拉采用分布裂缝模型[17]; 钢材采用 基于 von Mises 屈服准则的弹塑性本构模型, -骨架 线采用汪训流等人[18]提出的四段式(弹性段、屈服段、 强化段以及软化段)模型, 如图 4 所示.
卢啸等: 特大地震下超高层建筑的倒塌模拟
Yamada 等人[6, 7]在日本的 E-Defense 三维振动台上 进行了 4 层钢框架结构的足尺振动台倒塌试验, 对该 结构在特大地震下的抗倒塌性能进行了研究 , 研究 表明, 该结构在 1995 年兵库南部地震动作用下, 底 层柱出现局部屈曲 , 形成了首层软弱层的层倒塌机 制; 2009 年, van de Lindt & Pei 等人 在 E-Defense 振 动台上进行了 6 层木结构的足尺振动台试验, 验证了 该木结构具有良好的抗震性能, 即使在重现期为 2500 年的地震作用下 , 结构也未发生倒塌 , 仅存在 局部破坏; 2009 年, Wu & Kuo[9]对某单层的混凝土非 延性框架进行了振动台倒塌试验 ; 由于受到试验条 件及试验安全等问题的限制 , 在已有的研究成果中 , 采用振动台仅能研究一些多层建筑的缩比或足尺的 倒塌试验, 对于高达几百米的超高层结构, 利用振动 台试验研究其抗倒塌性能难度很大, 且花费巨大. 因 此 , 数值模拟方法逐渐成为研究建筑结构抗震性能 和抗倒塌性能的重要手段. 2001 年 , 陆新征等人 [10] 利用简化的分析模型 , 基于 LS-DYNA 对纽约世贸中心受飞机撞击后的倒塌 进行了模拟, 说明了倒塌的主要原因; 2004 年, Pan & Brownjohn[11]利用有限元模型研究了新加坡第一高楼 的基本动力特性和地震荷载下的动力响应 , 并与实 测 21 条远场地震动记录下结构的响应进行了比较 , 说明了结构的顶点位移响应与实测结果吻合最好 , 且论证了 BS8110 规范抗震设计的合理性; 2006 年, Pekau & Cui[12]利用离散元方法(DEM)模拟了 20 层 3 跨预制装配剪力墙结构在地震作用下的连续倒塌 , 研究表明当预制装配式剪力墙满足抗震需求时 , 其 剪力连接件的延性自动满足非地震作用下的抗连续 倒塌需求 ; 2007 年, Mattern & Blankenhorn[13]比较了 三层框架结构利用有限元模型和刚体模型模拟的连 续倒塌过程 , 认为多刚体模型可以通过较小的计算 量得到精度类似于有限元的结果 ; 2009 年 , Fan & Li[14]建立台北 101 大厦的有限元模型 , 分析了其抗 震性能 , 研究表明带有巨型框架的超高层建筑一般 都具有很高的强度储备 , 满足大震下规范中所规定 的抗震需求 . 大量文献研究表明 , 现有高层和超高层结构数 值模拟大多还是停留在常规的抗震性能分析上 , 真 正超高层结构地震倒塌模拟的研究国内外都还很少 . 超高层结构地震倒塌模拟需要解决的问题包括 : 复 杂结构建模、强非线性分析、超大规模计算等, 因此
2.2
核心筒
核心筒采用了非线性模虑面内弯曲 - 面内剪切 -
图2
上海中心大厦主要抗侧力体系示意图
2) 巨柱系统由 12 根型钢 - 混凝土巨柱组成 [15], 最大柱截面约为 5300 mm×3700 mm. 8 根巨柱贯穿整 个结构高度 , 柱截面尺寸随着高度的增加逐渐减小 , 最终减小为 2400 mm×1900 mm; 其余 4 根角柱仅延 伸至结构的第 5 节段. 3) 桁架系统位于结构的加强层位置 , 由环形桁 架和伸臂桁架共同组成, 高度约为 9.9 m, 所有桁架 杆件均为工字型截面钢梁.
摘要
近年来 500 m 以上超高层建筑发展迅猛, 是当前土木工程的重要国际前沿, 特大地
震下抗倒塌性能研究是超高层建筑必须认真面对的重要问题. 本文以结构总高度为 632 m 的上海中心大厦为具体研究对象, 建立了该超高层结构的有限元模型, 讨论了巨型构件和 各类不同构件的建模方法及其失效准则, 分析了结构的基本动力特性, 预测了该超高层建 筑结构在特大地震作用下的破坏模式和倒塌过程, 分析了其失效机理. 本研究可为超高层 结构地震破坏机理和抗震设计研究提供参考.
中国科学: 技术科学 论 文
2011 年
第 41 卷
第 11 期: 1405 ~ 1416
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
特大地震下超高层建筑的倒塌模拟
卢啸, 陆新征*, 张万开, 叶列平
清华大学土木工程系, 土木工程安全与耐久教育部重点试验室, 北京 100084 * E-mail: luxz@ 收稿日期: 2011-04-04 ; 接受日期: 2011-07-08 国家自然科学基金重大研究计划重点项目(批准号: 90815025), 清华大学青年教师自主选题基础研究项目(批准号: 2010THZ02-1)和教育部新 世纪优秀人才支持计划项目资助
图7
典型巨柱截面(单位: mm)
由分层壳单元和杆单元的组合模型来实现 , 利用分 层壳单元模拟巨柱沿 Y 方向的混凝土层、 钢筋层和型 钢的腹板层, 利用杆单元来模拟型钢的翼缘和沿 X 方 向的钢筋 , 然后利用共节点方法将杆单元插入到壳 单元中, 如图 8(b)所示. 为了验证简化模型的准确性 , 对巨柱进行了纯 压、纯弯、单向压弯、双向压弯等多种工况的数值试 验, 具体的工况如图 9 所示. 典型的结果比较如图 10 所示 , 更加详尽的结果比较见文献 [26]. 显然 , 简化 模型基本上能把握住巨柱的基本力学性能 , 与精细 模型的误差比较小, 在可接受范围内; 而且模型的自 由度数也远小于精细模型 , 比较如表 1 所示 . 因此 , 可以用该巨柱的简化模型进行整个结构的地震响应 分析. 最终得到整体结构的有限元模型如图 11 所示.