CN109238620A - 基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法 - Google Patents

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左太辉
李庆祥
许伟
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Abstract

本发明公开了基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，包括(1)建立建筑结构的三维有限元模型，该三维有限元模型采用弹性楼板假定；(2)通过风洞试验获得建筑结构表面的风压；(3)根据建筑高度和平面结构，采用插值和积分方法，获得建筑结构各楼层不同位置的各节点的风荷载时程；(4)将各节点风荷载时程加载到步骤(1)建立的三维有限元模型上进行时域风振响应分析；(5)通过时域风振响应分析，获得建筑结构各部位构件的加速度时程，然后进行加权统计，获得建筑结构各部位构件的风振加速度。本方法能够解决现行规范和风振加速度计算方法中的不足和问题。

Description

基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构 各部位构件风振加速度的方法
技术领域
本发明设计超高层住宅风振响应计算领域，具体是指基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法。
背景技术
在超高层建筑风荷载研究当中，有两个极为重要的方向：静力等效风荷载和舒适度研究。静力等效风荷载是结构设计人员的重要设计依据。而舒适度是影响到超高层建筑正常使用的首要判断依据。目前国家和广东省都颁布了《建筑结构荷载规范》对结构风荷载取值、等效风荷载的计算做出了相应的规定，并对相关的原理和参数规定进行条文解释，基本解决了静力等效风荷载的计算问题。为了满足居住者舒适度要求，还要计算加速度和角速度，以保证居住者没有不舒适的感觉。为了适应社会经济建设迅速发展需求，高层建筑越来越多，越来越高，低阻尼、大柔度的特性使得高层建筑的风振响应更加显著，这种振动有可能使在高层建筑内生活或工作的人在心理上产生不舒适的感觉，从而影响建筑物的正常使用。
由于超高层建筑属于柔性建筑结构，结构的风致安全性问题往往可以满足，舒适性问题成了超高层建筑结构设计时的主要突破口。我国建筑结构抗风设计主要是采用基于二维刚性模型。利用随机振动理论的频域方法或者时域方法进行结构的风振响应计算，按照结构荷载谱密度来计算结构风振响应的非拟定常方法，获得结构心形位置顶点最大加速度判断结构舒适度是否满足要求。
而对于造型新颖的超高层建筑，尤其是住宅建筑，结构扭矩较大，形心位置和刚度中心不重合。目前风振响应计算中常用的二维计算模型，只考虑结构质量和刚度影响，没有考虑结构弹性楼板假定以及构件对刚度和承载力的影响是不科学的，不能反映建筑结构真实振动状态，导致拟建阶段理论计算的结构风振加速度结果和运营后实测的风振加速度结果不一致，造成舒适度的预测评价与实际产生差别。
发明内容
本发明的目的是提供基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，以解决现行规范和风振加速度计算方法中的不足和问题，本方法在结构三维精细化有限元模型建立后，对风荷载进行插值和积分，将脉动风荷载施加到三维有限元模型上，进行瞬态动力计算，得到结构各位置处加速度响应。
本发明的上述目的采用如下技术方案来实现的：基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)建立建筑结构的三维有限元模型，该三维有限元模型采用弹性楼板假定；
(2)通过风洞试验获得建筑结构表面的风压；
(3)根据建筑高度和平面结构，采用插值和积分方法，获得建筑结构各楼层不同位置的各节点的风荷载时程；
(4)将各节点风荷载时程加载到步骤(1)建立的三维有限元模型上进行时域风振响应分析；
(5)通过时域风振响应分析，获得建筑结构各部位构件的加速度时程，然后进行加权统计，获得建筑结构各部位构件的风振加速度。
本发明主要针对超高层住宅建筑风振加速度发明新的计算方法，提出考虑弹性楼板假定的三维精细化有限元模型，得到能包括结构各部位构件受力的风荷载时程积分方法，依据时程函数的非线性时程分析方法，获得建筑各部位的加速度响应。
本发明中，所述的超高层建筑结构是指楼层数大于或等于40层，或者高度100米以上的建筑物结构。
本发明还可以做如下改进：该方法还包括步骤(6)判断建筑结构各部位构件的风振加速度响应是否满足相关的建筑行的国家标准要求或行业标准要求。
本发明的创新点：
(1)提出了考虑弹性楼板假定的精细化三维有限元模型用于结构风振加速度计算；
(2)提出了考虑构建结构平面尺寸和高度的风荷载插值和积分方法；
(3)能获得建筑结构所有关键部位的加速度时程响应。
为了获得比较符合实际的结构加速度响应，本发明考虑弹性楼板假定，提出区别于结构等效风荷载分析计算的三维有限元精细化计算模型，依靠风洞试验测试得到结构表面风压时程，考虑建筑平面和立面尺寸的插值积分方法获得各楼层位置实际风荷载时程，进行非线性时程风振响应分析，获得建筑各楼层各部位的加速度时程，为超高层建筑工程设计提供符合实际情况的参考。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1为采用本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法建造的建筑结构有限元模型；
图2为采用本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法进行分析的塔楼建筑平面分布图；
图3为采用本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法进行的风荷载时程获取流程图；
图4为采用本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法进行的加速度提取节点示意图；
图5为采用本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法获得的330角度X方向节点1的加速度时程曲线；
图6为采用本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法获得的310角度Y方向节点1的加速度时程曲线。
具体实施方式
工程实例和计算结果
某沿海超高层住宅建筑，总高度约158m，结构共49层，平面形状不规则。采用钢筋混凝土剪力墙结构。平面长37.8m，宽30.8m。建筑平面的形状见图1。
上述工程采用了本发明基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：依据结构设计图纸建立该高层建筑Etabs三维有限元模型，该三维有限元模型中梁柱单元属性依据设计图纸建立，楼板和墙体分别采用膜和壳截面。高层建筑的整体有限元模型如图1所示。该三维有限元模型采用弹性楼板假定，有限元模型动力特性如表1所示。
表1：结构周期特性
振型号 周期 振型号 周期 振型号 周期
1 3.75 4 1.05 7 0.52
2 3.54 5 0.96 8 0.46
3 2.89 6 0.78 9 0.38
步骤二：通过风洞试验获得建筑表面风压时程；
(1)沿结构高度位置布置9层、每层平面26个，共234个测点，平面测点位置如图2所示；
(2)通过风洞试验利用高频压力扫描阀获得所有测点风压时程；
步骤三：根据建筑高度和平面结构，采用插值和积分方法，获得建筑结构各楼层不同位置的各节点的风荷载时程；
(1)通过MATLAB程序将各测点风压时程转化为风荷载时程，沿高度方向插值得到49层26个平面位置风荷载时程；
(2)考虑风压折减系数和原型时间比，将所得风荷载时程代入ETABS有限元分析软件进行计算。
步骤四：结构风振响应动力计算。根据上述风洞测试及转换获得的风荷载时程，加载到步骤(1)建立的三维有限元模型上，进行动力时程响应瞬态分析。动力分析时阻尼比取0.02，10年重现期风压取0.45kPa。
(1)在ETABS中设置各角度下的工况，采用动力时程分析FNA法计算，时程分析步长和步数与风荷载时程相对应；
(2)将风洞测试转换获得的风荷载时程施加在每层每测点上，每层26个测点，每个测点分为3个不同方向的时程函数，共计3978条风荷载时程；
(3)进行结构时程响应动力计算。
步骤五：非线性时程分析计算分完成后，提取塔楼最高使用楼层关键节点位置共60个点加速度时程，加速度提取节点位置编号如图4所示。
(1)提取各测点加速度时程，X方向某典型测点加速度时程曲线如图5，Y方向某典型测点加速度时程曲线如图6所示；
(2)对提取的加速时程进行统计，依据公式(1)得到各节点加速度峰值加权值，公式中g为峰值因子，一般取2.5，ai为加速度时程，mm/s2，n为采样时程点数，获得建筑结构各部位构件的加速度时程，然后进行加权统计，获得建筑结构各部位构件的风振加速度，计算结果如表2和表3所示。
表2：第49层Y向加速度加权值(单位：mm/s2)
表3：第49层X向加速度加权值(单位：mm/s2)
作为上述方法的进一步改进，该方法还包括步骤(6)判断建筑结构各部位构件的风振加速度响应是否满足相关的建筑行的国家标准要求或行业标准要求。
本实施例的方法同样适用于层数大于或等于40层，或者高度100米以上的超高层建筑结构。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)建立建筑结构的三维有限元模型，该三维有限元模型采用弹性楼板假定；
(2)通过风洞试验获得建筑结构表面的风压；
(3)根据建筑高度和平面结构，采用插值和积分方法，获得建筑结构各楼层不同位置的各节点的风荷载时程；
(4)将各节点风荷载时程加载到步骤(1)建立的三维有限元模型上进行时域风振响应分析；
(5)通过时域风振响应分析，获得建筑结构各部位构件的加速度时程，然后进行加权统计，获得建筑结构各部位构件的风振加速度。
2.根据权利要求1所述的基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，其特征在于：所述的超高层建筑结构是指楼层数大于或等于40层，或者高度100米以上的建筑物结构。
3.根据权利要求1所述的基于弹性楼板假定的三维有限元模型下获取超高层建筑结构各部位构件风振加速度的方法，其特征在于：该方法还包括步骤(6)判断建筑结构各部位构件的风振加速度响应是否满足相关的建筑行的国家标准要求或行业标准要求。
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