核心筒結(jié)構(gòu)超高層建筑物防雷模型分析

2021-11-23 · 閱讀363

o引言

      隨著城市化進(jìn)程的加快,建筑物高層化趨勢(shì)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(duì)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(shì)定性分析、空間電磁場(chǎng)分布以及防護(hù)技術(shù)。接閃趨勢(shì)分析主要從建筑物(群)及自身不同位置電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)電流及磁場(chǎng)瞬態(tài)變化趨勢(shì)影響,進(jìn)而判斷感應(yīng)電場(chǎng)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)分布及屏蔽問題對(duì)電氣系統(tǒng)以及對(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)建筑物結(jié)構(gòu)尤其是針對(duì)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(chǎng)變化特性,繼而針對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)選取探測(cè)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(duì)模型局部形狀和尺寸作一定修改。