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地震-连续倒塌综合韧性防御超高层体系

2021-09-08 10:11:18
超高层建筑面临地震及爆炸、撞击等破坏性灾害风险。面向地震-连续倒塌综合韧性防御的超高层体系对减轻城市重要建筑的灾害损失和灾后恢复时间均具有重要价值。因此,本文面向韧性体系的基本特征(失效概率低、失效后果轻、恢复时间短),基于超高层中广泛应用的“框架-核心筒”体系,提出了一种面向地震-连续倒塌综合韧性防御的新型超高层结构体系,并建议...

超高层建筑面临地震及爆炸、撞击等破坏性灾害风险。面向地震-连续倒塌综合韧性防御的超高层体系对减轻城市重要建筑的灾害损失和灾后恢复时间均具有重要价值。因此,本文面向韧性体系的基本特征(失效概率低、失效后果轻、恢复时间短),基于超高层中广泛应用的“框架-核心筒”体系,提出了一种面向地震-连续倒塌综合韧性防御的新型超高层结构体系,并建议了其设计方法,通过典型案例开展了性能对比分析。

研究结果表明,相比于常规超高层结构体系,本文提出的新型结构体系能够有效控制结构动力响应(包括中小震下的楼层加速度、中大震下的层间位移角、以及连续倒塌工况下的竖向位移等),进而实现地震-连续倒塌灾害下的综合韧性防御。

01、问题的引入

由于抗震设计与抗连续倒塌设计在机理上的差异,导致针对特定灾害的设计方法会影响结构抵抗其他灾害的性能,进而影响综合防御效果(详见论文:防连续倒塌设计会削弱结构的抗震能力么?是的)。

近年来,我们课题组在结构多灾害综合防御问题上开展了系列研究,先后对混凝土框架和组合框架提出了新型的构造措施、新型地震和连续倒塌综合防御韧性框架等解决方案,并给出了相应的设计方法,详见论文:

(1)抗震&防连续倒塌:一种新型构造措施

(2)这个混凝土框架能抗震,能防连续倒塌,还功能可恢复,您不进来看看么?|新论文:多灾害防御混凝土框架试验研究

(3)新论文:新型地震和连续倒塌综合防御韧性PC框架承载力计算方法

(4)新论文:受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器

(5)新论文:地震-连续倒塌综合防御组合框架结构体系研究

(6)新论文:新一代地震-连续倒塌综合防御组合框架——综合韧性防御组合框架

有了这些研究基础,我们把目光投向了超高层建筑。因为超高层建筑通常对一座城市具有十分重要的社会、政治、经济功能,其综合韧性防灾问题至关重要。

针对韧性体系的基本特征,超高层结构体系在抗震和防连续倒塌综合防御方面需要解决以下关键问题:

(1)控制中小震下楼层加速度,降低非结构构件损伤引起的经济损失与修复工作量;


图1高层建筑地震加速度放大致顶层泳池漏水(图片来自网络)

(2)控制中大震下结构的损伤,保证结构震后无损伤或者轻微损伤,并能够通过一定的修复使结构快速恢复正常使用功能;


图2花莲地震高层建筑严重破坏(http://tw.fjtv.net/folder745/2018-02-08/1435158.html

(3)关键构件因偶然事件失效后,结构仍可以合理的重新分配内力,并保证失效部位的竖向位移在可控范围内,以实现灾后快速修复。


图3伦敦罗南角公寓因爆炸导致主体结构发生连续倒塌(图片来自网络)

因此,我们基于广泛采用的“框架-核心筒”超高层体系,结合各类高性能构件的最新研究成果,提出了一种面向地震-连续倒塌综合韧性防御的新型超高层结构体系,我们把它称为SPCRST(seismic–progressivecollapseresilientsuper-tall)建筑。

02、SPCRST

SPCRST主要包括:建筑顶部的减振子结构、地震-连续倒塌综合韧性防御钢混组合外框架、含自复位耗能支撑的钢混组合支撑筒、桁架系统(含伸臂桁架或者腰桁架),如图4所示。


图4SPCRST示意图

该体系具有以下特点与优势:

(1)减振子结构控制超高层结构在中小地震作用下的顶部楼层加速度,减小楼层顶部高成本加速度敏感型非结构构件的损伤;(参见新论文:采用减振子结构来控制超高层建筑的地震楼面加速度)

(2)地震-连续倒塌综合韧性防御钢混组合外框架以及含自复位耗能支撑的钢混组合支撑筒保证超高层结构在罕遇地震作用下或者连续倒塌工况下(单根柱失效)的功能可恢复性能;

(3)桁架系统控制结构变形,并保证结构在较严重的连续倒塌工况下(多根柱失效),实现稳定均匀的内力重分布,进而提高整体结构的抗连续倒塌性能。(如图5)


图5多柱失效下的防连续倒塌路径

该体系关键构件抗震性能目标为:

关键构件抗连续倒塌性能目标为:

基本设计流程为:

03、案例分析

为了检验新体系的实际效果,我们分别采用常规体系和新型体系设计了一栋48层的框架-核心筒结构,分别记作ModelY(常规体系)和ModelM-V(新型体系)。


图6对比案例建筑

分析结果表明:

(1)在加速度响应方面,中小震下,结构顶部加速度平均减振效果约20%,主要经济损失来源(供热通风与空调系统,HVAC)造成的经济损失平均降低42.9%和24.6%;


图7中小震加速度响应对比

(2)大震下,最大层间位移角平均降低15.2%,并有效控制残余变形,震后易于修复。


图8大震下层间位移角包络对比

(3)新型框架与新型支撑系统可有效降低失效部位竖向位移,可更为有效实现连续倒塌内力重分布。


图9外框架柱失效工况下,各失效部位竖向位移时程


图10外框架柱失效工况下,剩余柱子底部轴力增量情况
新结构(M-V)轴力增量分布更均匀

04、结论

本文提出了一种地震-连续倒塌综合韧性防御超高层结构体系SPCRST,并开展了数值仿真分析,研究结果表明:

相比于常规超高层结构体系,本文提出的新型结构体系能够有效控制结构动力响应(包括中小震下的加速度、中大震下的层间位移角、以及连续倒塌工况下的竖向位移等),进而实现地震-连续倒塌灾害下的综合韧性防御。

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