核心筒結(jié)構(gòu)超高層建筑物防雷模型分析

2021-11-23 · 閱讀374

o引言

      隨著城市化進(jìn)程的加快,建筑物高層化趨勢日益明顯,中國已經(jīng)逐漸成為全球高層建筑物增長速度最快的國家。合理的建筑結(jié)構(gòu)能使高層建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體能有效承擔(dān)彈塑性發(fā)展、層間變形以及地震剪力等不同破壞模式。框架+核心筒結(jié)構(gòu)﹑框架+核心筒結(jié)構(gòu)+伸臂榆架以及鋼框架支撐是180m至300m之間超高層建筑通常采用的結(jié)構(gòu)體系,其中框架+核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛,其豎向結(jié)構(gòu)體系主要由外框柱﹑樓面系統(tǒng)及核心筒組成。框架—核心筒結(jié)構(gòu)建筑物研究目前大多集中在抗震剪力分析,研究方式包含有限元分析、數(shù)值計(jì)算以及ETABS等軟件進(jìn)行對比分析。

      目前雷擊高層建筑物防雷研究方向主要集中在高層建筑物接閃趨勢定性分析、空間電磁場分布以及防護(hù)技術(shù)。接閃趨勢分析主要從建筑物(群)及自身不同位置電場畸變程度推斷雷擊位置,總結(jié)出不同高層建筑物或建筑物不同接閃位置的接閃定性概率;內(nèi)部空間電磁場分布主要采用路的方法、模型分析法以及利用仿真工具計(jì)算不同位置、高度及柱網(wǎng)參數(shù)對電流及磁場瞬態(tài)變化趨勢影響,進(jìn)而判斷感應(yīng)電場形成感應(yīng)電動(dòng)勢的大小;雷擊高層建筑物防護(hù)技術(shù)相關(guān)的研究著重在直擊雷防護(hù)技術(shù),雷擊電磁場分布及屏蔽問題對電氣系統(tǒng)以及對人體影響等。

    云地閃電形成的先導(dǎo)從云中電荷中心伸向地下所感應(yīng)的電荷,這就引起從云到地的向下放電，或從接地(物)體向云體發(fā)展的向上先導(dǎo)。一旦閃電下行先導(dǎo)和大地感應(yīng)電荷區(qū)的迎面先導(dǎo)連通就發(fā)生云地閃電。在云地閃電的過程中,放電電荷由雷暴云經(jīng)過閃電通道流到豎直框架和水平框架以及結(jié)構(gòu)體,再流入接地網(wǎng),然后由接地網(wǎng)泄漏到無限遠(yuǎn)的大地。這一過程使雷暴云﹑框架、接地網(wǎng)和無限遠(yuǎn)的大地構(gòu)成一個(gè)回路。目前針對建筑物的雷擊效應(yīng)研究主要集中在高層,超高層以及智能等特征,而不同建筑物結(jié)構(gòu)遭受雷擊時(shí)電流傳輸及電磁場分布特性受建筑物本體材料、結(jié)構(gòu)和接地電阻等因素綜合影響,往往較難對其進(jìn)行準(zhǔn)確的雷擊效應(yīng)定性及定量分析,目前國內(nèi)外在針對建筑物結(jié)構(gòu)尤其是針對框架—核心筒結(jié)構(gòu)超高層建筑物雷擊效應(yīng)研究成果較為少見。
    該研究基于CST MICROSTRIPES工作室采用全波分析法建立金屬構(gòu)架結(jié)構(gòu)建筑物集總電路模型，仿真瞬態(tài)電流傳輸特性和附近及內(nèi)部空間電磁變化特性,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示及定性﹑定量分析以上參量特征,同時(shí)利用探針和選取參考截面可研究空間不同位置電磁場變化特性,繼而針對外框架—內(nèi)核心筒結(jié)構(gòu)建筑物提出具體保護(hù)措施。

1模型建立

1.1典型框架—─核心筒建筑物模型

建筑物模型按實(shí)際某典型框架-核心筒結(jié)構(gòu)建筑物設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)建,模型包含所有鋼框架結(jié)構(gòu)柱以及平面層、混凝土柱等結(jié)構(gòu),模型平面形狀為帶折角的正方形平面,平面尺寸上下一致,建筑高度為202.4 m,結(jié)構(gòu)高度為196.4 m,平面尺寸為45 m×45 m,結(jié)構(gòu)高寬比約為4.4。核心筒平面尺寸約為23.6 m×23.1 m,核心筒高寬比約為8.5。該筑物模型為42層,樓頂部位四周設(shè)置女兒墻,中間凸出層為較為普遍設(shè)置的電梯機(jī)房位置,整體模型見圖1。

    模型按照實(shí)際等比例建立,在誤差允許范圍內(nèi)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)材料屬性設(shè)置建筑物材料特征:混凝土密度磁導(dǎo)率為1,土壤介電常數(shù)為13F/m,自測土壤電阻率為20.9Q·m,土壤底層邊界電位為0,模型周邊背景為空氣,框架鋼結(jié)構(gòu)和樓層鋼板電導(dǎo)率為7.69x10 S/m,其他材料特征參數(shù)均按照標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置。

1.2雷電流模型

     根據(jù)實(shí)際構(gòu)建模型當(dāng)?shù)氐亻W監(jiān)測資料,該建筑物2km半徑區(qū)域范圍內(nèi)雷電流情況:雷電流最大幅值為132kA,不同區(qū)間概率見圖2;雷電流幅值的平均值為:22.3kA;雷電流幅值主要分布在0～40kA之間,占全部地閃85.11%左右,雷電流源依據(jù)地閃探測數(shù)據(jù)選取探測到最高典型幅值132kA。

    模型雷電流激勵(lì)源波形根據(jù)地閃放電過程應(yīng)與地閃首次回?fù)舨ㄐ我恢?目前描述該過程主要采用雙指數(shù)函數(shù)以及Heilder模型表達(dá),其中雙指數(shù)函數(shù)常用美軍標(biāo)s函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為
l=A.×(e*一eR)
(1)
式(1)中 :Am.為幅值電流參量;A和B分別為衰減參數(shù)。仿真采用電流分量為A波波形描述幅值為-132 kA條件下雷電流特征,選取Amp=144 414.6，A=11354,B=647265129]。
仿真和動(dòng)態(tài)圖形顯示時(shí)間步長均約1×106us,總仿真時(shí)長為200 u.s,最小網(wǎng)格尺寸為1056.35 mm，符合網(wǎng)格精細(xì)化要求,仿真頻域設(shè)置范圍為0~30 MHzo考慮到計(jì)算收斂性和計(jì)算內(nèi)存的要求,研究在不影響仿真結(jié)論條件下對模型局部形狀和尺寸作一定修改。