介绍
以下将展示在高层建筑中模拟风、地震和地基-结构相互作用的可能性。
模型描述
在这篇专业文章中，考虑了一个虚构的20层高的高层建筑，具有扭曲的建筑形态。楼板、柱子和结构核心采用钢筋混凝土制成。外表面覆盖玻璃。当前不均匀分层的地基通过钻孔剖面考虑。该地基从地表起由砂土、砾石和场景底部的风化岩石组成。 考虑的荷载包括自重、楼板的使用荷载为2 kN/m²、来自RWIND 3的单向风荷载和响应谱分析法得出的地震荷载。 该模型可以通过以下链接下载。
地基-结构相互作用
在此例中，地基通过刚度模量法进行模拟。通过输入的三个钻孔剖面，每个地板单元获得与施加的地基压力反应相对应的刚度。 地基的选用首先影响到文件的大小，从而影响性能。最大的影响来自于二维地基模拟相对于3D体积计算。但直接从钻孔剖面考虑地质层而不生成体积模型也降低了模型的存储需求并提高了性能。 更多关于输入和可用选项的信息可以在以下链接的在线手册中找到：
在接下来的图片中，自重下的沉降（上）与具有使用荷载的特征荷载组合（中）以及伴随风的作用（下）的沉降进行对比。可以看到，在钢筋混凝土建筑核心下出现较大沉降，向板外缘逐渐减小。比较与风结合的沉降（下）与不结合的沉降（中），风荷载在正x方向上预期会在左侧导致减少的沉降，而在右侧导致增加的沉降。
对比弹性支持系数时，可见两个特征荷载组合没有差异。这是因为这些系数是通过组合助手从相关的准永久性设计组合自动导入的。这不仅节省计算时间，还因地基的迟缓反应更符合地基行为。更多关于弹性支持系数转移的信息可在以下手册链接中查看。
风模拟
以下动画显示了来自RWIND的风模拟结果。可以看到结构在X方向被绕流。
由扭曲建筑形态引起的扭转风载导致高层建筑绕其垂直轴旋转。这显示在下一张图中，展示了具有主导风荷载的特征荷载组合（上为等距视图，下为俯视图）。
地震
由于模态分析作为采用响应谱法进行地震设计的基础，不引入非线性因素，在此例中需特别关注设置的支持条件。地基通常无法承受拉力。这尤其适用于此处规划的浅基础。这一行为也通过刚度模量法加以反映。以下图示例地呈现了第一自振模态的模态分析结果。
对于简化的地震设计，有不同的方法。Eurocode 8的德国家国内附录例如建议比较风荷载与地震荷载的比例。如果风荷载超过地震荷载的1.5倍，则可不采用特殊方法。在此示例中，这可以通过特征荷载组合9（自重和X方向风）的支撑力总和和由响应谱导出的X方向第一自振模态加速度进行确定。然而，结果比例更大，如以下公式所示。然而，对于一个70米高的高层建筑使用这一限制值的方法仍然是可质疑的。
ASCE 7为允许的基本振动周期提供了一个良好的参考值。根据公式12.8-8，对于此示例，允许振动周期为2.13秒。然而，由于模态分析得出的第一个振动周期为2.24秒，因此不能进行简化验证。
尽管如此，此处考虑了一种工况，将第一自振模态的水平加速度作为地震加速度的一个系数简单地施加在每个质量点上。此外，还施加了1.67 m/s²的台阶值。更为正确的是根据模态而非简单地在每个质量点施加。然而，这一考虑为简易方法提供了检查结果基底压力和避免裂隙的可能性。荷载工况的设置和结果接触压力显示在以下图片中。
正如所见，仅在施加台阶加速度时，基底板会出现裂隙。在这种情况下，地基支持在自重和水平地震作用的情况下会失效。