核心筒结构超高层建筑物防雷模型分析

2021-11-23 · 阅读226

o引言

      随着城市化进程的加快,建筑物高层化趋势日益明显,中国已经逐渐成为全球高层建筑物增长速度最快的国家。合理的建筑结构能使高层建筑物结构构件及整体能有效承担弹塑性发展、层间变形以及地震剪力等不同破坏模式。框架+核心筒结构﹑框架+核心筒结构+伸臂榆架以及钢框架支撑是180m至300m之间超高层建筑通常采用的结构体系,其中框架+核心筒结构应用最为广泛,其竖向结构体系主要由外框柱﹑楼面系统及核心筒组成。框架—核心筒结构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、数值计算以及ETABS等软件进行对比分析。

      目前雷击高层建筑物防雷研究方向主要集中在高层建筑物接闪趋势定性分析、空间电磁场分布以及防护技术。接闪趋势分析主要从建筑物(群)及自身不同位置电场畸变程度推断雷击位置,总结出不同高层建筑物或建筑物不同接闪位置的接闪定性概率;内部空间电磁场分布主要采用路的方法、模型分析法以及利用仿真工具计算不同位置、高度及柱网参数对电流及磁场瞬态变化趋势影响,进而判断感应电场形成感应电动势的大小;雷击高层建筑物防护技术相关的研究着重在直击雷防护技术,雷击电磁场分布及屏蔽问题对电气系统以及对人体影响等。

    云地闪电形成的先导从云中电荷中心伸向地下所感应的电荷,这就引起从云到地的向下放电，或从接地(物)体向云体发展的向上先导。一旦闪电下行先导和大地感应电荷区的迎面先导连通就发生云地闪电。在云地闪电的过程中,放电电荷由雷暴云经过闪电通道流到竖直框架和水平框架以及结构体,再流入接地网,然后由接地网泄漏到无限远的大地。这一过程使雷暴云﹑框架、接地网和无限远的大地构成一个回路。目前针对建筑物的雷击效应研究主要集中在高层,超高层以及智能等特征,而不同建筑物结构遭受雷击时电流传输及电磁场分布特性受建筑物本体材料、结构和接地电阻等因素综合影响,往往较难对其进行准确的雷击效应定性及定量分析,目前国内外在针对建筑物结构尤其是针对框架—核心筒结构超高层建筑物雷击效应研究成果较为少见。
    该研究基于CST MICROSTRIPES工作室采用全波分析法建立金属构架结构建筑物集总电路模型，仿真瞬态电流传输特性和附近及内部空间电磁变化特性,可实现动态显示及定性﹑定量分析以上参量特征,同时利用探针和选取参考截面可研究空间不同位置电磁场变化特性,继而针对外框架—内核心筒结构建筑物提出具体保护措施。

1模型建立

1.1典型框架—─核心筒建筑物模型

建筑物模型按实际某典型框架-核心筒结构建筑物设计图纸构建,模型包含所有钢框架结构柱以及平面层、混凝土柱等结构,模型平面形状为带折角的正方形平面,平面尺寸上下一致,建筑高度为202.4 m,结构高度为196.4 m,平面尺寸为45 m×45 m,结构高宽比约为4.4。核心筒平面尺寸约为23.6 m×23.1 m,核心筒高宽比约为8.5。该筑物模型为42层,楼顶部位四周设置女儿墙,中间凸出层为较为普遍设置的电梯机房位置,整体模型见图1。

    模型按照实际等比例建立,在误差允许范围内根据标准材料属性设置建筑物材料特征:混凝土密度磁导率为1,土壤介电常数为13F/m,自测土壤电阻率为20.9Q·m,土壤底层边界电位为0,模型周边背景为空气,框架钢结构和楼层钢板电导率为7.69x10 S/m,其他材料特征参数均按照标准值设置。

1.2雷电流模型

     根据实际构建模型当地地闪监测资料,该建筑物2km半径区域范围内雷电流情况:雷电流最大幅值为132kA,不同区间概率见图2;雷电流幅值的平均值为:22.3kA;雷电流幅值主要分布在0～40kA之间,占全部地闪85.11%左右,雷电流源依据地闪探测数据选取探测到最高典型幅值132kA。

    模型雷电流激励源波形根据地闪放电过程应与地闪首次回击波形一致,目前描述该过程主要采用双指数函数以及Heilder模型表达,其中双指数函数常用美军标s函数数学表达式为
l=A.×(e*一eR)
(1)
式(1)中 :Am.为幅值电流参量;A和B分别为衰减参数。仿真采用电流分量为A波波形描述幅值为-132 kA条件下雷电流特征,选取Amp=144 414.6，A=11354,B=647265129]。
仿真和动态图形显示时间步长均约1×106us,总仿真时长为200 u.s,最小网格尺寸为1056.35 mm，符合网格精细化要求,仿真频域设置范围为0~30 MHzo考虑到计算收敛性和计算内存的要求,研究在不影响仿真结论条件下对模型局部形状和尺寸作一定修改。