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強(qiáng)風(fēng)對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響分析
      比較研究了高層鋼框架結(jié)構(gòu)受不同強(qiáng)度風(fēng)荷載作用后的位移和內(nèi)力的變化情況，探討了高層鋼框架結(jié)構(gòu)受不同風(fēng)荷栽作用后的整體損傷情況，估算了臺(tái)風(fēng)對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷累積值的上限。
      隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，質(zhì)量更小、強(qiáng)度更高的建筑材料不斷涌現(xiàn)，從而使得高層鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼不斷下降，對(duì)風(fēng)荷載的敏感性卻進(jìn)一步增強(qiáng)。高層鋼框架結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用所產(chǎn)生的疲勞損傷問(wèn)題以及由此引起的結(jié)構(gòu)過(guò)大反應(yīng)導(dǎo)致其無(wú)法滿足正常使用要求等問(wèn)題日顯突出，因此分析強(qiáng)風(fēng)對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于高層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)役高層鋼框架結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測(cè)有著重要的實(shí)際工程意義。
      2005年，蘇啟旺u 3系統(tǒng)研究了既有建筑物產(chǎn)生損傷后，其動(dòng)力特性診斷參數(shù)識(shí)別損傷的內(nèi)在機(jī)理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識(shí)別方法。該研究為建筑物的損傷研究提供了理論支持。
      2006年，廖河山等心1鈴析了9914號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)廈門(mén)市各類建筑工程及其附屬設(shè)施的影響，并總結(jié)了此次臺(tái)風(fēng)區(qū)別于20世紀(jì)50-80年代同類臺(tái)風(fēng)的新特點(diǎn)；雖然廖河山等總結(jié)了建筑物受到臺(tái)風(fēng)作用的破壞情況，但是沒(méi)有深入地分析建筑物的損傷情況。2006年，楊柯等口3基于有限元模型導(dǎo)出了多自由度系統(tǒng)和實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，對(duì)深圳地王大廈進(jìn)行了非線性數(shù)值模擬，并比較和研究了振幅相關(guān)阻尼與一系列常數(shù)阻尼對(duì)各種強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，楊柯等的工作為超高層建筑的阻尼研究提供了可以借鑒的依據(jù)。2007年，王世村等‘4 3采用隨機(jī)裂紋擴(kuò)展模型對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振疲勞問(wèn)題進(jìn)行了分析，其考慮了平均風(fēng)速的概率分布和時(shí)間相關(guān)性對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，并用ZMNL法模擬了相關(guān)的平均風(fēng)速時(shí)程樣本，而根據(jù)MonteCarlo法得出了裂紋長(zhǎng)度的概率分布，王世村等對(duì)高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振疲勞問(wèn)題進(jìn)行的分析給框架結(jié)構(gòu)風(fēng)振疲勞問(wèn)題的分析打下了基礎(chǔ)。2008年，俞劍勇等口3結(jié)合我國(guó)首座海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，就設(shè)計(jì)中的鋼結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題進(jìn)行了分析，為鋼結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)提供了借鑒。另外，張相庭等。6一對(duì)風(fēng)荷載時(shí)程模擬以及城市風(fēng)災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失模型等進(jìn)行了研究。黃本才等‘63對(duì)下游干擾體對(duì)上游建筑物的干擾進(jìn)行了理論和風(fēng)洞試驗(yàn)的比較研究。
    本文將在以上學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，深入研究強(qiáng)風(fēng)對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于強(qiáng)風(fēng)荷載的加載方式和計(jì)算方法，本文根據(jù)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程，按照時(shí)間△丁（△丁取10 min）將實(shí)際臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程劃分為5個(gè)階段，按照國(guó)家規(guī)范J 3的要求，再將結(jié)構(gòu)的風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算。最后，針對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)抗風(fēng)最薄弱的方向，運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)受到強(qiáng)風(fēng)作用后的高層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析，以期分析強(qiáng)風(fēng)對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞和損傷情況。
    通過(guò)ANSYS分析可以看出，高層鋼框架結(jié)構(gòu)受強(qiáng)風(fēng)作用后：1）當(dāng)基本風(fēng)壓大于1.2 kN/IT12時(shí)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的側(cè)向位移過(guò)大；2）底部總軸向力變化很小，底部總剪力和底部總彎矩隨著風(fēng)壓的增大而增大；3）結(jié)構(gòu)整體的損傷值隨著基本風(fēng)壓的增大而增大。
1  基礎(chǔ)理論、計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)模型
1.1  基礎(chǔ)理論
    風(fēng)對(duì)建筑物具有靜力和動(dòng)力兩種作用，靜力作用主要為平均風(fēng)作用于建筑物后引起建筑物變形和內(nèi)力的重分布，動(dòng)力作用主要為脈動(dòng)風(fēng)作用于建筑物后引起建筑物的抖搌和自激振動(dòng)。我國(guó)規(guī)范‘71將結(jié)構(gòu)的風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算，從而將結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的靜力分析。但是規(guī)范只考慮極限狀態(tài)沒(méi)有考慮強(qiáng)風(fēng)對(duì)建筑物的時(shí)程影響。本文根據(jù)實(shí)際臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程（圖1），按照時(shí)間AT（AT取10 min）將實(shí)際臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速時(shí)程劃分為數(shù)個(gè)小的階段（圖2），在每一階段按照我國(guó)規(guī)范‘i：的要求將等效靜力風(fēng)荷載施加到高層鋼框架結(jié)構(gòu)上。
    根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷的基本原理∞]：結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、模態(tài)振型等）是結(jié)構(gòu)物理特性（質(zhì)量、阻尼和剛度）的函數(shù)，結(jié)構(gòu)物理特性的改變會(huì)引起系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的改變，利用結(jié)構(gòu)損傷前后模態(tài)參數(shù)的改變可以很直觀地進(jìn)行損傷識(shí)別。
    高層鋼框架結(jié)構(gòu)的風(fēng)振疲勞損傷屬于隨機(jī)變幅損傷問(wèn)題，對(duì)該問(wèn)題的研究以累積損傷理論為基礎(chǔ)，即結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷是一個(gè)累積的過(guò)程，如Miner線性累積損傷理論。通常認(rèn)為交變應(yīng)力的每一個(gè)循環(huán)都將造成一定的疲勞損傷，對(duì)于結(jié)構(gòu)受變幅交變應(yīng)力作用的情況，結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷量可以通過(guò)把各不同幅值的應(yīng)力循環(huán)造成的疲勞損傷按適當(dāng)?shù)脑瓌t累加而得到。當(dāng)結(jié)構(gòu)總的疲勞損傷量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)就將發(fā)生疲勞破壞。
1.2風(fēng)荷載酌計(jì)算方法
    風(fēng)荷載按照GB 50009 - 2001中規(guī)定的方法計(jì)算，即垂直于高層鋼框架結(jié)構(gòu)表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：
    對(duì)于強(qiáng)風(fēng)荷載的加載方式和計(jì)算方法，本文選取2006年8月10日登陸我國(guó)的“桑美”臺(tái)風(fēng)為例。9]，“桑美”臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)風(fēng)力17級(jí)，風(fēng)速60 m/s，最大風(fēng)速75.8 m/s，根據(jù)“桑美”臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速換算可知其最大基本風(fēng)壓為2. 25 kN/rf12。以“桑美”臺(tái)風(fēng)為基礎(chǔ)選取基本風(fēng)壓分別為0.6，0.8，1.0，1.2，1.5 kN/rr12的情況，分別設(shè)為工況l-工況5用U，Ul，U。，U。，U。表示，按照我國(guó)規(guī)范‘7 3的要求將等
效靜力風(fēng)荷載施加到高層鋼框架結(jié)構(gòu)上。運(yùn)用ANSYS分析不同基本風(fēng)壓對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的影響。
    經(jīng)計(jì)算，5種工況下對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1，高層鋼框架結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓見(jiàn)圖3。
1.3  結(jié)構(gòu)模型
    目前在辦公樓建筑中，高層辦公樓一般采用框架承重、填充墻作為圍護(hù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式。本文選取了一個(gè)比較典型的高層鋼框架結(jié)構(gòu)辦公樓(14層)進(jìn)行各種工況下的受力分析。具體參數(shù)如下：
    1)建筑物結(jié)構(gòu)：樓層層高統(tǒng)一為3.2 m，結(jié)構(gòu)總高為44.8 m．結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為37.5 m，結(jié)構(gòu)總寬為16 m。
    2)構(gòu)件尺寸：在本結(jié)構(gòu)體系中，梁為工字梁，采用統(tǒng)一的截面尺寸：300 mm×300 mm×488 mm×18 mm×18 mm×II mm。柱為箱形柱，其截面尺寸分兩種類型：1～I(xiàn)O層為550 mm×550 mm×25 mm×25 mm;;11-14層為500 mm×500 mm×25 mm×25 mm。樓板的厚度為100 mm。
2  工程應(yīng)用
2.1  風(fēng)荷載分析
    應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)建筑物進(jìn)行靜力和模態(tài)分析步驟如下：1）以桿系一層模型為基礎(chǔ)，選用AN-SYS中的Beam 188單元和Shell 163單元建立結(jié)構(gòu)整體模型；2）根據(jù)鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系定義結(jié)構(gòu)各部分的屬性；3）將高層鋼框架結(jié)構(gòu)每層的風(fēng)壓值平均分配加于結(jié)構(gòu)柱上，如圖3所示；4）對(duì)AN-SYS運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行分析。
2.1.1  風(fēng)荷載靜力學(xué)分析
    1)結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移分析。經(jīng)過(guò)AN-SYS靜力學(xué)分析，風(fēng)荷載作用后高層鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移見(jiàn)衷2。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，得出高層鋼框架結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載作用后的各層位移和各層間位移，如圖4所示。
    由表2和圖4可知，在5種基本風(fēng)壓的作用下，結(jié)構(gòu)層間位移的分布情況相似，結(jié)構(gòu)的最大層間位移都出現(xiàn)在4層，結(jié)構(gòu)第4層的突變最嚴(yán)重；當(dāng)基本風(fēng)壓為1.5 kN／m-時(shí)，結(jié)構(gòu)第4層的層間位移角為o．004，大于高層鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移角要求的0.003 3。從最大層間位移可以看出，當(dāng)高層鋼框架結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)風(fēng)襲擊后結(jié)構(gòu)第4層最容易產(chǎn)生破壞。
    2)基底內(nèi)力。風(fēng)荷載作用后對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)底端總內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，得到基底剪力F、軸力Fx和彎矩M。列入表3。

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