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力学概念 | 核心筒斜墙收进

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▲图1

超高层建筑中,核心筒作为最重要的抗侧构件,内部集中布置设备用房及竖向交通空间。然而随着楼层的升高,建筑设计对于竖向交通需求减少,同时抗侧需求也在减少,因此需要缩减核心筒平面尺寸。核心筒尺寸收进的常见方法主要有三种:1)区格收进;2)墙体转换收进;3)斜墙收进。其中区格收进的方式直接减小上部核心筒的墙体数量,能够快速实现建筑空间和功能的变化,且施工方便,经济性较好。虽然墙体传力较直接,但存在核心筒收进前后剪力墙内力突变,墙肢应力集中的问题,同时也会导致核心筒收进处楼层刚度突变的问题。墙体转换收进的方式传力路径较复杂,且转换层的设置对建筑功能和空间布置影响较大。斜墙收进方案的优点是核心筒上下墙体连续,传力直接,在墙体倾斜角度设计合理的情况下楼层刚度变化均匀。不利之处是斜墙转换区域受力特殊,在竖向荷载下与斜墙相连的腹墙、楼面梁和楼板也会产生水平力。

斜墙的受力特征和传力机制可参考斜柱。两者的共同点在于竖向荷载作用下与斜柱或斜墙相连的楼面梁和楼板会产生水平分力。不同点是斜柱产生的水平力分量由楼面梁及楼板传递给内侧核心筒,而斜墙产生的水平力分量在每个方向上大部分通过核心筒内部诸多腹墙和连梁自平衡传递,只有少量水平力通过楼面梁及楼板传递至外框架。可见斜墙水平力传力路径比斜柱更直接。斜墙转换区在竖向荷载作用下的传力机制示意如图2所示。竖向荷载作用下,斜墙终止楼层处在核心筒外侧产生拉力,核心筒内侧产生压力;斜墙起始楼层处在核心筒外侧产生压力,核心筒内侧产生拉力。

▲图2


斜墙收进相关楼层结构布置方式如下:

(1)控制斜墙的倾斜角度不至过大,为保持墙体竖向受力的特性,倾斜角度不应超过15°,同时也与斜墙所在楼层位置有关,楼层位置较低时,倾斜角度应控制更加严格,不应超过10°。

(2)墙体转折位置产生水平分力,该区域楼板除受弯曲应力外,还将承受较大轴向应力,因此初步设计阶段加厚转折位置楼层楼板,较易满足承载能力设计要求,并在正常使用阶段具有良好的刚度。

(3)加强楼面梁,尤其是核心筒内洞口周边的梁,提高其抗拉和抗压能力。由于核心筒内部建筑功能要求,楼板面积较小且不连续,故分析中不考虑核心筒内部楼板的作用。


来源:数值分析与有限元编程
建筑控制
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首次发布时间:2025-05-21
最近编辑:8小时前
太白金星
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力学概念| 减震的力学原理

减震技术主要是指在结构的一些部位加上一定数量的阻尼装置或者其他消能部件,为结构提供一定的附加阻尼与刚度以及增大结构自振周期,从而消耗掉外部地震产生的能量,减轻结构动力响应。地震效应如何作用到结构上 ▲图1图1所示一单自由度体系受地震的动力作用。设基础的水平动位移为 ,质量m对于基础的相对位移为 ,则质量 的总水平位移为 。作用于质量上的惯性力是由其总位移加速度所决定的,为 ,而弹性恢复力和阻尼力仍是由其相对位移和相对速度决定的。于是,可由动平衡条件得运动方程为记 式中, 为质点的质量, 分别为质点相对于地面的位移、速度和加速度, 为结构的恢复力, 为地面加速度。将式(2)与单自由度体系运动的一般方程比较可知,地基运动产生的动力效应就相当于在质量上施加一动力荷载。减震的力学原理以单自由度体系为例,简单介绍消能减震结构的工作原理。将式(2)两边同时乘以 ,并从 积分得式中, 代表系统的动能; 代表系统的阻尼耗能, 代表地震作用输入到系统中的总能量, 代表系统的变形能,由弹性变性能 、塑性变性能 以及滞回耗能 三部分组成,即式(4)即为地震作用下的结构振动能量平衡方程。地震结束后,结构停止振动,对应质点的速度和加速度均为 ,且结构的弹性变形恢复,故结构的动能 和弹性应变能 等于 ,因此能量方程(4)成为从(6)可以看出,输入到结构中的地震能量 最终由结构阻尼耗能 、塑性变形能 和滞回耗能 三部分耗散。因此从能量观点来看,只要结构在地震作用下提供阻尼耗能、塑性变形耗能和滞回耗能的能力大于地震输入能量 ,结构即可有效抵抗地震作用,不会倒塌。一般抗震结构的阻尼耗能能力较小,当地震作用超过结构的承载力时,将主要依靠结构自身的塑性变形耗能和滞回耗能能力来耗散地震输入能量,从而导致结构的损伤和破坏,当损伤过大时将引起结构的倒塌。因此,为使结构满足大震不倒的设计目标,关键是要保证等式左边的结构耗能能力大于右边的地震能量需求。要么减小地震输入给结构的能量,要么增加等式左边的结构耗能能力。这两种途径分别对应于隔震设计和消能减震设计。 ▲图2图2(a)和2(b)从工程设计中常用的拟加速度反应谱的角度分别说明了隔震结构和消能减震结构的基本原理。隔震结构通过设置隔震层,延长上部结构的周期,如将结构周期从隔震前的 延长到隔震后的 ,根据设计地震的拟加速度反应谱,结构所承担的地震力显著降低。消能减震结构通过设置消能器,不显著改变结构周期而显著增加结构的阻尼,如将结构的阻尼比从设置消能器前的 增加到设置消能器后的 ,从而显著降低结构所承受的地震力单自由度体系消能减震结构中设置了黏滞消能器(只增加结构的阻尼,不增加结构刚度),其所提供的恢复力为 ,在地震作用下的振动方程为采用上述同样的方法,地震结束时的能量平衡方程如下:式中, 为消能减震装置的耗能。由于一般情况下增设消能器不显著改变结构的自振周期,在同样的地震作用下,附加消能器对结构的地震输入能量 没有显著的影响。与式(6)相比,式(8)的耗能能力增加了 项,从而使得原主体结构的塑性变形耗能和滞回耗能需求减少,减轻了主体结构的损伤程度,甚至无损伤。来源:数值分析与有限元编程

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