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本文针对混凝土高塔结构中的竖向地震作用、部分预应力混凝土高塔水平刚度系数和预应力度的关系、延性系数和预应力度的关系、考虑高阶振影响的静力弹塑性(PUSHOVER)分析等几个方面进行了研究工作,并完成558m高雅加达电视塔的初步计算分析。
1、考虑场地土影响的竖向地震作用分析
场地土对高耸结构竖向地震力有显著的影响,同一烈度区不同场地类型上的高耸结构竖向地震力差别较大。II类场地土上的烟囱,只有在9度区才会产生竖向拉力;IⅡ类场地土上的烟囱,在8度、9度区在烟囱的顶部会出现较大的竖向拉力和竖向压力;Ⅳ类场地土上的烟囱,在7度区顶部就出现竖向拉力,9度区竖向拉力和竖向压力非常大。因此在计算高耸结构竖向地震作用时,场地土的影响应引起足够的重视。雅加达电视塔竖向基本周期达到0.62s,属于竖向高柔结构,《烟囱设计规范》的冲量法不适用。在7度中震作用下,雅加达电视塔上部筒体不出现拉力,下部筒体压力中竖向地震力所占比例很小,394标高(上部塔筒变截面处)以上的简体和钢桅杆部分产生的竖向地震力较大,占结构自重的50%左右或以上,结构的轴压比已经超过1.0,达到1.4,在计算中应予以考虑。另外,结构的竖向振动基本周期为0.62s,和场地土的特征周期以及竖向地震动实测卓越周期比较接近,竖向共振问题宜作专门研究。
2、巨型框架结构刚度系数和构件延性系数研究
基于应力比定义预应力度,以应力比预应力度替代规范中的弯矩开裂系数,建立了环形截面刚度系数和预应力度的关系。通过实例计算结果,分析了刚度系数随预应力度的变化趋势,对于高塔结构,当0.4≤λ≤0.7时,刚度系数和预应力度可拟合为近似线性关系;λ>0.7时,塔身在正常使用极限状态下不会出现开裂;当预应力度λ<0.4时,结构刚度系数提高不是很显著。对于环形截面构件,加入复合约束箍筋后,延性系数提高显著,但是承载力基本没有提高,加入核心钢管后,无论是延性系数还是承载力均有较大幅度的提高,而且在受压区混凝土达到极限压应变后,核心钢管仍然具有继续承教和承担变形的能力,有利于实现大震不倒。
3、考虑高阶振型影响的简化Pushover分析方法
在模态Pushover分析方法基础上,通过振型叠加构造弹性等效振型,应用弹性等效振型将多自由度体系转化为等效单自由度体系,以考虑高阶振型的影响,加载模式采用SRSS组合的层间剪力,应用延性需求谱以及反SRSS分配和SRSS组合,快速计算结构的弹塑性反应,提出了简化的Pushover分析方法。对于高塔等顶点位移起控制作用的构筑物以及体型规则的高层建筑,应用该方法可以快速的计算结构的弹塑性位移反应。
4、雅加达电视塔的计算分析
根据初步弹性和弹塑性分析,可以得到以下结果:
①、在风荷载和地震作用下,塔体总体变形为弯曲型,因此采用杆系模型计算雅加达电视塔是可行的,基本可以忽略扭转的影响。
②、结构水平刚度很大,在风荷载作用下钢桅杆顶点最大位移为1.942m(H/287),在7度多遇地震作用下,钢桅杆顶点为位移为1.112m(1/496),从整体位移控制指标来看不需要加预应力。在7度中震竖向地震作用下,上部简体不出现拉力,下部简体压力占自重的比例很小,从竖向受力来看,不需要对塔身施加预应力。底部塔筒最大轴压比为0.892,已经超过允许限值,因此应采取底部筒体全截面满布复合约束箍筋、增设核心暗柱、增设核心钢管或者增加截面尺寸等措施。
③、塔体的弹塑性反应以第l振型为主,在7度罕遇地震作用下,大梁不分缝方案:混凝土塔楼顶点(460m标高)弹塑性位移为4.373m(H/105),结构延性系数为3.1:大梁水平分缝方案:塔楼顶点弹塑性位移为4.743m(H/97)结构延性系数为5;均满足7度罕遇地震作用下的弹塑性位移要求,结构无明显的薄弱部位,对145.18和305标高的处筒体以及底部简体应考虑适当加强。
④、底部17层办公室的73m高的混凝土筒体和顶部转换锥体下部的21m的混凝土筒体对结构刚度贡献很大,宜进行7度大震下的弹性设计。
并根据计算结果,提出了结构计算和构件设计的具体建议。