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大高宽比超高层住宅建筑的性能化设计(论文).pdf

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·53· 大高宽比超高层住宅建筑的性能化设计 鲁 松 1, 张建劭 2, 李爱群 2,3 , 吴宜峰 3 (1. 南京中艺建筑设计院股份有限公司,210001,南京;2. 东南大学土木工程学院,210096,南京; 3.北京建筑大学土木与交通工程学院,100044,北京)    摘 要 :随着我国超高层建设规模增加,部分超高层住宅的高宽比已接近甚至超过规范限值的两倍,此 类建筑在抗风、抗震方面均存在抗侧力效率低下等问题。通过分析高宽比对超高层建筑抗震、抗风性能的影 响,以武汉市某超高层住宅为算例,采用相关措施及控制指标对该建筑进行性能化设计与评估。分析结果表 明,3 项措施及 5项控制指标可有效保证超大高宽比建筑预期性能目标的实现。    关键词: 高宽比;抗侧力效率;性能化设计;性能评估    中图分类号: TU 318 文献标志码: A 文章编号: 1000 -4726(2018)14 -0053 -04 收稿日期: 2018 –11–26 作者简介: 鲁松 (1981 —), 男, 江苏徐州 人,硕士 ,e-mail : 906002603 @qq.com . 随着我国超高层建设规模增加, 为达到良好的采光、 通风效果,住宅建筑平面布局往往面宽大且进深小, 从而形成了较大高宽比、深宽比的建筑类型,此类建 筑在抗风、抗震方面均存在抗侧力效率低下等问题。 大量研究结果表明,当建筑截面深宽比大于 2时分离 气流将在侧面发生再附,横风向风力基本特征变化较 大;当高宽比大于 8或设计折算风速大于 10时可能 发生不利且难以估算的气动弹性现象 [1]。高层建筑高 宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理 性的宏观控制 [2]。当高宽比超出规定较多时须采取相 关控制及加强措施使结构满足规范规定的承载力、稳 定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求,其经济性较差。 1 高宽比 、 深宽比对风荷载取值影响 Ning Lin 等进行了不同高度、宽度(迎风面尺寸)、 进深(顺风向尺寸)共 9个矩形模型的风洞试验,模 型缩尺比为 1/500,地面粗糙度指数 α=0.15,模型的 最大高宽比为 6.9,最大深宽比为 2.98。试验结果表 明 [3]:(1)顺风向平均风压系数,随高宽比增加而加 大,随深宽比增加先加大然后减少,顺风向脉动风压 系数受高宽比、深宽比影响较小;( 2)横风向脉动 风压系数,随深宽比增加而加大,在建筑半高处最大, 受高宽比影响相对较小;(3)脉动风压根方差扭矩 系数,随深宽比增加而加大,基本不受高宽比影响。 我国GB 50009—2012 《建筑结构荷载规范》对顺 风向风荷载取值仅考虑了深宽比影响;横风向风荷载 计算公式仅适用于高宽比在 4~8之间,深宽比在 0.5~ 2之间;扭转风荷载计算公式仅适用于高宽比小于 6, 深宽比在1.2~5范围。高宽比、深宽比超过规范适用 范围的超高层建筑应进行风洞试验和专项研究。 2 高宽比对抗风 、 抗震性能的影响 高层建筑的水平荷载主要为风荷载和地震荷载, 一般呈倒三角形分布,建筑物基底倾覆力矩与建筑高 度的平方成正比,建筑物顶部的侧向位移与其高度的 三次方成正比。在建筑平面既定的情况下,结构响应 随高宽比增加呈非线性的快速增长,变形控制及舒适 度控制成为结构设计主要难题。大高宽比对结构抗风、 抗震性能的影响概括起来主要体现在以下两方面。 (1)降低结构体系抗侧力的效率。水平荷载作 用下,结构侧向变形主要由 3部分组成:结构整体 弯曲变形、构件的弯曲变形和剪切变形。Fazlur Khan 认为:高效抗侧力结构体系的变形应该以竖向构件轴 向压缩和拉伸引起的整体弯曲变形为主,单个竖向构 件的弯曲变形和剪切变形只会降低结构抗侧力的效 率,增加额外的结构材料和造价 [4]。大高宽比建筑, 由于进深较小、抵抗整体倾覆力矩力臂较短,在结构 总变形中整体弯曲变形占比相对较小,主要以构件的 弯曲变形和剪切变形为主,抗侧力效率较低。建筑高 度和竖向构件总面积相同时大高宽比抗侧力体系提供 的刚度及承载力相对较小,这将引起重力二阶效应、 整体抗倾覆安全度较低、位移响应较大等一系列问题。 (2)增大舒适度控制的难度。超高层建筑中舒适 度常由横风向最大加速度控制,高宽比大于 8时易发 生气动弹性现象;深宽比大于 2时分离再附现象增加 了横风向风振的复杂性;高宽比大于 6时横风向风力 与风致扭矩的耦合作用加大了风致振动不稳定性 [1]。 3 提高抗风 、 抗震性能的 3项措施 3.1 降低结构体系所受的水平荷载 (1)改变建筑的气动外形,从根源上降低风荷 建 筑 技 术 Architecture Technology 第 49 卷 增刊 2018 年 12 月 Vol.49 No.12 Dec. 2018 ·54· 载及风致响应,如采用合理三维建筑体型、矩形建筑 四角进行切角、避难层进行部分开敞处理等。对局部 楼层进行部分开敞,虽可有效降低结构整体风荷载及 响应,但洞口周边风压系数有所提高 [5]。 (2)减轻楼层质量,从根源上降低地震荷载及 响应,如采用高强材料或钢–混凝土混合结构减小结 构质量,采用轻质建筑围护及隔墙,适当减小楼板面 层荷载及非关键部位
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