非對稱己型連體建筑連廊風(fēng)載動力特性分析

李麗華，毛 毳

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

非對稱己型連體建筑連廊風(fēng)載動力特性分析

李麗華，毛 毳

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

利用流體計算軟件CFX對風(fēng)場進(jìn)行模擬，再將ANSYS信息在CFX中插值，從而獲得建筑結(jié)構(gòu)表面的瞬態(tài)風(fēng)荷載.分析不同連接方式下連廊連接處的受力、連廊受力及連廊位移結(jié)果.結(jié)果表明：當(dāng)連廊位于狹道尾部時，柔性連接方式下連接處受力較小，連接效果較好，但當(dāng)風(fēng)向為連廊方向時柔性連接方式下連接處受力會明顯增加，柔性連接不再適用；在該建筑結(jié)構(gòu)中剛性連接具有較低的連廊軸力及連廊變形，但在支座處受力較大，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)連接處承載能力；采用長度較小的連廊有益于減小連廊支座位移的變化率.

非對稱己型連體建筑；風(fēng)荷載；動態(tài)響應(yīng)；連接方式

連體建筑一般是指幾棟單體高層建筑之間由一個或幾個架空的連接體連接構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu).連體建筑以獨特的外形和多樣的建筑功能，被廣泛應(yīng)用于工程實際.如湖南省廣電中心，長沙東方芙蓉廣場［1］等.

目前，有學(xué)者研究了連體建筑在地震荷載下的整體動力響應(yīng)，以及對某一種連接方式下連廊的分析設(shè)計［2-3］.但對連廊在不同連接方式下的風(fēng)荷載動力響應(yīng)模擬分析很少.一般情況下，連廊相對主體剛度較小，連接處受力較大，因此在荷載計算時應(yīng)重點分析連廊結(jié)構(gòu).常用的連接方式有：剛性連接、鉸接連接、柔性連接［4-5］.本文采用CFX-ANSYS單向耦合的數(shù)值模擬［6］方法對三種常用連接方式下連廊結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載動力響應(yīng)特性進(jìn)行了對比分析.

1 建筑實例

文中采用的建筑實例［7］，是高為38.95，m的九層非對稱三塔連體建筑，建筑結(jié)構(gòu)整體呈己字型.連廊位于建筑頂部八、九層處，連廊高為 8.48，m，建筑首層高為 4.67，m，二層高為 4.8，m，九層高為4.28，m，其余層均為4.2，m.B、D相對C為非對稱布置，連廊為鋼桁架結(jié)構(gòu)，主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).建筑結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示.

圖1 建筑結(jié)構(gòu)平面圖（單位：m）

2 風(fēng)場模擬

2.1 模擬方法

采用非定常雷諾平均方法（RANS）對風(fēng)場進(jìn)行模擬.該方法不僅能夠保證較好的工程精度，而且具有較小的計算量.且采用非定常 RANS方法獲得的計算結(jié)果要較定常 RANS方法獲得的計算結(jié)果好的多［8］.

2.2 模型建立及參數(shù)的設(shè)置

首先根據(jù)建筑的實體尺寸建立了剛性計算模型，在此建筑模型基礎(chǔ)上建立一個 1，100，m×700 m×300，m的流場域模型來模擬大氣邊界層內(nèi)的流動.流場域尺寸的選取滿足阻塞率小于 3%，的要求［9］.尺寸的正確選取能消除流場域邊界對建筑結(jié)構(gòu)的影響，又能避免流場域過大造成的計算負(fù)擔(dān).流場網(wǎng)格選擇非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約為 400萬.流體入口邊界選擇速度入口（velocityinlet）邊界條件；出口為開放式（opening）邊界條件；流場側(cè)面及頂面為可滑移（slip wall）邊界條件，其余邊界為不可滑移（no slip wall）邊界條件.計算模型主要參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 計算模型主要參數(shù)設(shè)置

2.3 連廊迎風(fēng)面壓強(qiáng)結(jié)果

由于該建筑高度小于 60，m，不屬于對風(fēng)敏感的高層建筑且建筑相對于流體剛度較大.因此，本文只考慮了風(fēng)荷載對建筑結(jié)構(gòu)的擾動，即單向流固耦合.在CFX流體計算中，較長時間的計算及較小的時間步長能夠保證獲得更好的計算結(jié)果.為了保證結(jié)果精度的同時盡量減少CPU消耗時間，文中以風(fēng)場入口 10，m高度處的速度約 9次流過整個風(fēng)場的時間作為計算時間，共計算了 6，min的流場情況，得到 0.5，s時連廊結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面壓強(qiáng)結(jié)果，如圖2所示.

圖2 連廊迎風(fēng)面壓強(qiáng)

3 結(jié)構(gòu)風(fēng)載動力分析

3.1 模型的建立及參數(shù)選擇

己型建筑主體梁柱及連廊桁架采用 Beam188單元模擬，樓板采用Shell63單元模擬，桁架系桿結(jié)構(gòu)采用Link8單元模擬，柔性支座采用Combin40單元模擬.由于風(fēng)荷載作用于建筑表面的方向是不規(guī)則的，為了實現(xiàn)CFX向ANSYS的單向數(shù)據(jù)傳遞，在建筑物表面覆蓋一層表面效應(yīng)單元，本文采用Surf154單元，單元材料密度設(shè)為 0.模型各材料特性如表2所示.

表2 材料特性

3.2 風(fēng)荷載的施加

將ANSYS有限元信息導(dǎo)入CFX進(jìn)行插值，從而獲得瞬態(tài)風(fēng)荷載.從風(fēng)場計算結(jié)果可知，建筑結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載在100，s內(nèi)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定效應(yīng)，因此，在數(shù)值模擬中僅對該建筑結(jié)構(gòu)施加 100，s內(nèi)的風(fēng)荷載.連廊迎風(fēng)面上一點的壓力時程曲線如圖3所示.

圖3 壓力時程曲線

3.3 連接方式及模擬

工程實際中常用的三種連接方式如圖4所示.

圖4 連接方式示意

本文在建筑模型中通過以下方式來實現(xiàn)三種連接：結(jié)構(gòu)模型下端固定，連廊與主體的剛性連接通過連廊兩端剛性全約束來實現(xiàn)；連廊與主體的鉸接連接通過連廊兩端的鉸接連接來實現(xiàn)；連廊與主體的柔性連接，通過連廊一端鉸接連接，另一端滑動連接來實現(xiàn).三塔連廊建筑B座、D座相對于C座為非對稱布置，因此將滑動端設(shè)置在 C座兩側(cè).設(shè)定計算時間步長為0.5，s，共 200步，同時施加風(fēng)荷載和建筑結(jié)構(gòu)自重，進(jìn)行瞬態(tài)計算，0.5，s時剛性連接下連廊的變形結(jié)果如圖5所示.

圖5 連廊變形

4 連接方式對連廊風(fēng)載力學(xué)特性的影響

為了更直觀的進(jìn)行結(jié)果分析，從 1# 連廊下側(cè)右端逆時針依次為連接處編號，編號結(jié)果如圖6所示.

圖6 連廊連接處編號

4.1 連接方式對連廊連接處受力的影響

圖7為三種連接方式下各個連接點在時間歷程中所對應(yīng)的X方向最大支反力.

圖7 X方向最大支反力

由圖7可得，1# 連廊下側(cè)連接處主要受X負(fù)方向的支反力，上側(cè)主要受 X正方向的支反力，1、2號連接處支反力較大.在X方向上，1# 連廊剛性連接下支反力最大，柔性連接的滑動端在 X方向的受力與鉸接對比變化不大，在個別點處出現(xiàn)上下的波動.

圖8為三種連接方式下各個連接點在時間歷程中所對應(yīng)的Y方向最大支反力.

圖8 Y方向最大支反力

由圖8可得，1#連廊各連接處受力不均衡，在2號連接處發(fā)生明顯變化，這是因為連廊端面上存在扭轉(zhuǎn)變形造成了 Y方向支反力突然增大.柔性連接時 2#連廊 11號連接處受力方向突變，這會使得柔性連接較另兩種方式變形更加穩(wěn)定.

由圖7和圖8可得，1# 連廊位于B、C塔樓間洞口尾部，狹道風(fēng)使連廊主要受力為 X方向風(fēng)荷載，因此 1# 連廊在 Y方向最大支反力基本為零.但2號連接處所在平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形造成Y方向最大支反力增大.2#連廊位于 C、D塔樓間入口處，風(fēng)在建筑結(jié)構(gòu)棱角處分離繞流，使得連廊在 Y方向受力比 X方向大得多.因此，三種不同連接方式下 2#連廊在 X方向的最大支反力較 Y方向小得多.從連接處受力得出連廊位于 1# 廊位置時采用柔性連接效果較好.

4.2 連接方式對連廊受力的影響

取連廊跨中上弦桿及下弦桿進(jìn)行軸力分析.圖9和圖10分別為上弦桿和下弦桿的軸力時程曲線.

由圖9可得，剛接和鉸接連接方式對上弦桿受力影響相似，柔性連接上弦桿受力最大，說明放松連接的柔性連接方式并不能達(dá)到釋放連廊內(nèi)力的效果.由圖10可得，連廊在柔性連接時下弦桿軸力最大，鉸接次之，剛接最小，因此可知剛性連接在降低下弦桿時受力效果最好.2#連廊同 1#連廊桿內(nèi)力規(guī)律相同，但其位于狹道入口處，連廊內(nèi)力明顯小于1#連廊，此處就不在列出其受力圖.

圖9 1#連廊上弦軸力時程曲線

圖10 1#連廊下弦桿軸力時程曲線

4.3 連接方式對連廊變形的影響

由于風(fēng)荷載是沿 X方向運動的，因此文中只對X方向的位移差進(jìn)行了對比分析.通過位移差值變化率的方式得到連廊連接處位移情況.1#連廊上 4號連接處的支座位移變化率如圖11所示.2#連廊上16號連接處的支座位移變化率如圖12所示.

圖11 4號連接處支座位移變化率

圖12 16號連接處支座位移變化率

由圖11和圖12可知，隨著連接方式的放松，連接處位移逐漸變大.1#連廊支座位移變化率明顯大于 2#連廊支座位移變化率.由此表明隨著連廊長度的增大，不同連接方式下的支座位移變化率均增大.

5 結(jié) 論

通過分析非對稱己型連體建筑在不同連接方式下連接處的受力，連廊受力及連廊位移，得出如下結(jié)論.

（1）當(dāng)連廊設(shè)置在狹道尾部時（即 1#連廊位置處），柔性連接方式下連接處的受力較小，連接效果較好.但柔性連接支座位移較另兩種方式大得多，且在 Y方向受力較大時，連接處的受力會明顯增大.因此，當(dāng)風(fēng)向為連廊方向時不適用于柔性連接.

（2）文中剛性連接時軸力及位移均較小，建議在類似非對稱己型連體建筑上使用剛性連接，但要適當(dāng)增加連接處的承載力.

（3）在柔性連接時連廊支座處位移較剛性連接和鉸接連接時大得多，且 1#連廊上支座位移變化率要明顯大于 2#連廊支座位移變化率.說明采用長度較小的連廊有益于減小連廊支座位移的變化率.

綜上所述，柔性連接方式不適用于連廊受橫向風(fēng)荷載較大的建筑；連廊位置設(shè)置的合理性對減小連廊受力具有較好的效果；對于非對稱己型連體建筑，采用剛性連接對降低連廊軸力及變形效果較好，但此時應(yīng)適當(dāng)增加連接處的承載力.

［1］樊 亭，王 飛，闞 明.長沙東方芙蓉廣場高位連體結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（2）：17-21.

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［3］沈朝勇，徐 麗.某大廈多座連廊柔性支座計算分析和設(shè)計［J］.國外建材科技，2005，26（2）：70-72.

［4］王文民.連接方式及連體跨度對雙塔連體結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

［5］BHASKARARO A V，JANGID R S.Seismic analysis of structures connected with friction dampers ［J］.Engineering Structures，2006：28（5）：690-703.

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Dynamic Response Analysis Of Unsymmetrical Three-Tower-Connected Structure Under Wind Load

LI Lihua，MAO Cui
（School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China）

The study uses fluid calculation software CFX for simulating wind field， and ANSYS in the information provided in CFX interpolation， to obtain the transient wind load on the surface of the building structure.It analyzes the results of connection force， force and displacement of nest joint results in different connection modes.The results show that when the nest at the end of the narrow passage， the joint force smaller under the flexible connection way， its effect is good， but when the wind is the direction of the nest flexible connection way the joint force will increase obviously， the flexible connection no longer apply； in the structure of rigid connection it has lower nest of axial force and displacement of nest， but in the bearing force it is bigger， it should be appropriate to enhance joint bearing capacity； The length smaller nest is beneficial to reduce the nest of displacement rate.

unsymmetrical three-tower-connected structure；wind load；dynamic response； connection modes

TU312.1：

A

2095-719X（2016）03-0190-05

2015-04-03；

2015-04-20

李麗華（1989—），女，天津人，天津城建大學(xué)碩士生.