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小辉搞科技 扛得住45°风吗？，你的结构

原创作者：鲲鹏
结构按一对正交轴来布置 ， 通常情况下 ， 我们就按这对正交轴进行结构计算和设计 。 但遗憾的是 ， 这不总是正确的 。
过去差点发生了一场工程事故 。
位于列克星敦林荫大道和53大街的交叉口的花旗集团中心 ， 是一座高度279米 ， 采用独特的高跷式底座的59层办公楼 。
花旗集团中心建设在教会的上方 ， 为了不影响教会的原有建筑 ， 整座大厦支撑在4颗高度35米的柱子上方 ， 每颗柱子位于大楼每一面的中央 。
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图1高跷式底座
在一次学术会议上 ， 一位年轻的大学生指出 ， 此建筑的四根巨柱是布置于建筑四面的中间 ， 斜交45度方向 ， 是结构受力最不利方向 。 而根据当时的纽约建筑规范 ， 结构设计师只计算了X、Y方向的水平荷作用下的承载力 。
经过补充计算 ， 在45度的强风作用下 ， 风荷效应增加了40％ ， 导致人字形支撑连接处的载荷增加了160％ ， 建筑物可能被吹倒 。 而且 ， 施工单位为了方便施工 ， 钢结构连接由原先的焊接被改成了螺栓连接 ， 更加削弱了结构连接处的抗拉承载力 。
此后 ， 此楼便秘密开始加固 ， 为了解决连接节点缺陷 ， 大批焊工在夜间进行烧焊 ， 加强建筑的连接作用 ， 而白天建筑的一系列活动照常进行 。 为了减小风荷载的作用 ， 在楼顶安置了一个7立方米的谐调质量阻尼器 ， 也就是我们常说的TMD ， 经计算 ， 可以减少50%风荷载作用下的位移 。
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图2柱子布置于边框中间
采用YJK软件 ， 构造如下一栋塔楼 ， 分别计算平面正交方向和45°斜交方向的风载效应 。
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图3简化模型
计算表明 ， 45度方向 ， 塔楼基底剪力和最大层间位移角分别为0度正交方向的1.41倍 。
这个问题其实非常简单 。 以下稍作理论推导 。
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图4柱子布置于边框中间
假定柱子截面为Ac ， 平面边长为H：
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如果把柱子置于平面四角 ， 会怎么样呢？
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图5柱子布置于平面四角
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但是两个例子对比发现 ， 柱子放在外框中部 ， 和放在外框角部相比 ， 结构效率降低50%；
《高层建筑设计—以结构为建筑》P120 ， 曾给出竖向构件不同布置方式对应的结构效率 。
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图6不同布置方式对应的结构效率
我们可能会惊讶 ， 这个失误也太明显了吧？
不要着急 ， 这个问题还可以继续延伸 。
我们构造一个标准的框架-核心筒结构 。 平面尺寸为24.3mX24.3m ， 中部为核心筒 ， 平面尺寸8.1mX8.1m ， 层高4.5m ， 共35层 ， 建筑功能为办公 。
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图7标准的框架-核心筒结构
对这样一栋楼 ， 依然存在这个现象 ， 我列举计算结果如下：
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你看 ， 对这样一个普通平面 ， 45度正交方向的风载效应依然约为0度正交方向的1.4倍 。 大家平时计算 ， 有没有考虑45度正交方向呢？
如果我们是按0度正交方向计算 ， 并卡着规范限值做设计 ， 当45度风吹起来的时候 ， 你会不会瑟瑟发抖？
事实上 ， 考虑45度正交方向 ， 对承载力计算也有影响 ， 风载工况下 ， 角柱的拉力约增大1倍；部分位置梁端配筋增大25%左右 。


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