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高层斜交网格筒结构体系:受力特性与抗震性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速,城市人口密度不断增大,土地资源愈发紧张。为了满足人们对居住、办公等空间的需求,高层建筑如雨后春笋般在城市中拔地而起。高层建筑不仅能够有效节省城市用地,提高土地利用率,还成为了城市现代化的重要标志。从全球范围来看,各大城市纷纷涌现出众多超高层建筑,如上海中心大厦、迪拜哈利法塔等,它们不仅展示了建筑技术的卓越成就,也体现了城市的经济实力和发展水平。

在高层建筑的结构体系中,斜交网格筒结构体系凭借其独特的优势逐渐受到广泛关注和应用。斜交网格筒结构体系的外筒由双向交叉连续环绕建筑外表面的斜杆构成,替代了传统的垂直柱形式。这种结构形式具有诸多优点,首先,斜交网格筒结构体系具有较大的抗侧刚度,能够有效抵抗风荷载和地震作用等水平荷载,提高建筑的稳定性和安全性。其次,其空间协调工作性较强,扭转刚度大,剪力滞后效应弱,使得外框筒甚至可以提供大于核心筒的结构侧向刚度,从而更合理地分配结构内力。此外,斜交网格筒结构体系的独特外观还能为建筑带来丰富的造型效果,满足建筑师对于建筑美学的追求,实现结构与建筑的完美融合。例如广州国际金融中心,采用斜交网格新型结构体系,其独特的造型成为了城市的标志性建筑。

然而,尽管斜交网格筒结构体系在实际工程中得到了一定的应用,但对于其基本受力特性与抗震性能的研究仍存在不足。深入研究高层斜交网格筒结构体系的基本受力特性与抗震性能具有重要的理论意义和实际工程价值。在理论方面,有助于进一步完善高层建筑结构理论,丰富结构力学的研究内容,为该结构体系的设计和分析提供更坚实的理论基础。在实际工程中,准确掌握其受力特性和抗震性能,能够指导工程师进行更合理的结构设计,优化结构布置和构件尺寸,提高建筑的安全性和可靠性,降低工程成本,同时也为现有斜交网格筒结构建筑的维护、改造和加固提供科学依据,对于保障人民生命财产安全和促进建筑行业的可持续发展具有重要意义。

1.2国内外研究现状

在国外,对高层斜交网格筒结构体系的研究开展较早。Moon于2005年首次提出斜交网筒结构体系这一概念,并发表在《TheStructuralDesignofTallandSpecialBuildings》期刊上,主要研究了斜柱角度对斜交网筒结构受力性能的影响。Carroll对复杂结构体系进行研究,发现该结构体系受力性能好且外形优美,能够将结构和建筑完美融合。Kyoung通过有限元计算软件对矩形平面斜交网筒结构模型进行参数分析,研究了斜柱角度范围,并提出了相应的简化计算方法。在抗震性能研究方面,一些学者采用试验和数值模拟相结合的方法,对斜交网格筒结构在地震作用下的响应进行了分析,探讨了结构的破坏模式、抗震能力和耗能机制等。

在国内,随着斜交网格筒结构体系在实际工程中的应用逐渐增多,相关研究也日益受到重视。郭伟亮、滕军等对典型钢管混凝土斜交网格筒-钢筋混凝土内筒结构进行了静力弹塑性分析,总结了体系塑性发展过程及构件屈服顺序,给出了斜交网格筒屈服路径,探讨了结构抗侧刚度退化的主要原因。刘尚伦、陈雷等通过对北京保利国际广场1号主塔楼的结构分析,从抗震概念上分析了该体系的组成特点、变形趋势、受力分布特点等,并提出了对此种结构体系抗震研究的展望。吴清贵总结了国内外约束混凝土在斜交网筒结构中的应用研究现状,并对区域约束混凝土在高性能斜交网筒结构体系中的应用进行了展望。

然而,当前研究仍存在一些不足与空白。在受力特性研究方面,对于复杂荷载工况下斜交网格筒结构体系的内力重分布规律和协同工作机制研究不够深入;在抗震性能研究方面,缺乏对不同场地条件、地震波特性等多因素耦合作用下结构抗震性能的全面分析,且针对斜交网格筒结构体系的抗震设计方法和指标还不够完善。此外,在新材料、新技术应用于斜交网格筒结构体系后的受力和抗震性能研究方面,也有待进一步加强。

1.3研究方法与创新点

本研究采用理论分析、数值模拟和案例研究相结合的方法。理论分析方面,运用结构力学、材料力学等基本原理,推导斜交网格筒结构体系在不同荷载作用下的内力和变形计算公式,建立结构的力学模型,分析其基本受力特性和抗震性能的理论基础。数值模拟则借助专业的结构分析软件,如ANSYS、Midas等,建立精确的斜交网格筒结构模型,模拟其在静力荷载、地震荷载等不同工况下的响应,包括结构的应力、应变分布,位移变化等,通过数值模拟可以直观地了解结构的力学行为,对理论分析结果进行验证和补充。案例研究选取国内外具有代表性的高层斜交网格筒结构建筑,收集其设计资料、施工过程和实际使用情况等信息,对其进行详细的分析和总结,从实际工程角度验证研究成果的可行性和有效性,同时也为理论分析和数值模拟提供实

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