混合結(jié)構(gòu)豎向荷載下的受力性能

摘 要:通過一高層混合結(jié)構(gòu)的算例，改變外鋼框架與混凝土核心筒之間的剛度比以及在不同的層高設(shè)置加強(qiáng)層，對(duì)高層鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的受力和變形性能進(jìn)行分析比較。結(jié)果表明，增加剪力墻厚度可以顯著的增大剪力墻承擔(dān)的總軸力，并有效的減小樓層豎向位移;加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響很大，合理的設(shè)置加強(qiáng)層可有效的減小結(jié)構(gòu)的豎向變形差。

關(guān)鍵詞:高層;混合結(jié)構(gòu);剛度比;加強(qiáng)層

中圖分類號(hào):TU398+.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)07-0182-02

1前言

外鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點(diǎn)，適合我國(guó)國(guó)情，已成為當(dāng)前我國(guó)高層和超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式[1][2]。高層建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)多，高度大，柱和墻的軸力、軸向變形都很大，所以在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)必須考慮軸向變形的影響[3]。在混合結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件相對(duì)于混凝土構(gòu)件來說，截面小，剛度小[4]，導(dǎo)致同一結(jié)構(gòu)中不同豎向構(gòu)件的材料特性及應(yīng)力水平的差異很大，使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生顯著的豎向變形差[5]，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和使用不利。

高層混合結(jié)構(gòu)在豎向荷載下的受力性能與豎向荷載的大小、施工過程以及混凝土的收縮、徐變等因素有關(guān)。在這篇文章中，我們只討論豎向荷載一次加載下的受力性能，其他因素將在以后進(jìn)行討論。下面以一個(gè)高層混合結(jié)構(gòu)為對(duì)象，分別按不同的鋼框架與混凝土剪力墻剛度比以及不同位置設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)的受力和變形情況進(jìn)行計(jì)算和比較，提出了此類結(jié)構(gòu)合理剛度比及合理加強(qiáng)層位置的建議。

2計(jì)算分析

2.1 算例概況

結(jié)構(gòu)為二十三層外鋼框架-內(nèi)混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)[1]，平面尺寸及布置如圖1所示，結(jié)構(gòu)總高為78.3m，1到2層層高為4.5m，3到23層層高為3.3m。在結(jié)構(gòu)的1、2層抽柱形成大空間，外鋼框架柱、梁均采用方鋼管。全部柱及加強(qiáng)層梁尺寸為800mm×800mm×55mm;其余的梁尺寸均為600mm×600mm×55mm;芯筒為鋼筋混凝土，墻厚根據(jù)計(jì)算方案不同從200mm到600mm變化;標(biāo)準(zhǔn)層鋼筋混凝土樓板厚150mm，加強(qiáng)層及抽柱處樓板厚200mm。鋼材采用Q235，混凝土為C40?；詈奢d取值為3kN/m²。

2.2計(jì)算方案

計(jì)算程序采用大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元程序ANSYS6.1，采用梁、殼單元進(jìn)行分析。為了探尋剪力墻與鋼框架不同剛度比以及不同位置設(shè)加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)豎向受力性能的影響，采用如下幾個(gè)方案進(jìn)行分析計(jì)算:方案一(w2):剪力墻厚度為200mm;方案二(w3):剪力墻厚度為300mm;方案三(w4):剪力墻厚度為400mm;方案四(w6):剪力墻厚度為600mm;每種方案里面又分5種情況:⑴，不設(shè)加強(qiáng)層(s0);⑵，第3層加強(qiáng)(s3);⑶，第3、14層加強(qiáng)(s3-14);⑷，第3、23層加強(qiáng)(s3-23);⑸，第3、11、23層加強(qiáng)(s3-11-23)。

2.3計(jì)算結(jié)果

① 變剪力墻厚度時(shí)剪力墻承擔(dān)的總軸力比較(圖2)

在圖2所示的五種情況下，隨著剪力墻厚度的增加，剪力墻承擔(dān)的總軸力均大幅增加，大于20%，增加百分?jǐn)?shù)逐漸減小。不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)，剪力墻厚度增加100mm，承擔(dān)的軸力平均增加22.05%;厚度增加200mm，承擔(dān)的軸力平均增加39.17%;厚度增加400mm，承擔(dān)的軸力平均增加63.55%。第3層設(shè)加強(qiáng)層后，剪力墻承擔(dān)的軸力隨墻厚增加的變化情況和不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)的變化相差不大，分別增加1.3%、2.67%和4.95%，加強(qiáng)層以下墻的軸力隨墻厚的增加影響逐漸減小。設(shè)第2、3道加強(qiáng)層與設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)相比的平均增長(zhǎng)幅度變化不大于2%。第3層和頂層加強(qiáng)時(shí)，頂層剪力墻承擔(dān)的軸力隨墻厚的增加變化不大，當(dāng)墻厚增加100mm、200mm和400mm時(shí)，軸力分別增加2.3%、1.88%和1.96%。

②不同位置設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)剪力墻承擔(dān)的軸力比較(圖3)

剪力墻厚為200mm時(shí)，第1道加強(qiáng)層設(shè)在第3層時(shí)，豎向荷載下剪力墻承擔(dān)的軸力，在加強(qiáng)層突然增大14.8%;加強(qiáng)層以下剪力墻軸力增大，但增大百分比顯著減小(<1.9%);加強(qiáng)層向上至頂層剪力墻軸力減小，減小百分比逐漸減小。在第14層設(shè)第2道加強(qiáng)層時(shí)，第3層以下與只設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)相比剪力墻軸力增加小于1.0%;從第1道加強(qiáng)層以上到第2道加強(qiáng)層之間，剪力墻承擔(dān)的軸力比不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)的減小，減小百分比逐漸減小，但減小量低于只設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)的減小量;第2道加強(qiáng)層處剪力墻軸力則突然增大7.66%;第2道加強(qiáng)層以上至頂層，剪力墻軸力減小，減小百分比逐漸減小。第2道加強(qiáng)層設(shè)在頂層時(shí)，第3層以下與第2道加強(qiáng)層設(shè)在第14層時(shí)的相比，變化小于0.5%;第3層以上墻軸力的變化與不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)相比從減小9.96%向上逐漸變化到頂層的增加100.52%。在第3、11、23層處設(shè)置共3道加強(qiáng)層時(shí)，剪力墻承擔(dān)的軸力與不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)相比，加強(qiáng)層處均突然增大，從下向上增大的百分比分別為15.76%、6.12%和75.33%;第3層以上到第10層軸力減小，減小百分比逐漸減小;第11層以上到第22層，軸力從減小10.57%逐漸變化到增大25.50%。

剪力墻厚為300mm、400mm和600mm時(shí)，墻軸力隨加強(qiáng)層的設(shè)置位置和層數(shù)變化規(guī)律同墻厚為200mm時(shí)的一樣，但受影響程度減小了。

③頂點(diǎn)豎向位移的比較

由于結(jié)構(gòu)雙向?qū)ΨQ，故只選取對(duì)稱的1/4平面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，各點(diǎn)位置見圖1(b)。

剪力墻厚為200mm時(shí)，第3層設(shè)加強(qiáng)層，各點(diǎn)位的頂點(diǎn)豎向位移顯著減小，最大減小12.51%，最小減小4.95%，變形差由2.5mm減少為2.15mm;第3、11和23層設(shè)加強(qiáng)層，點(diǎn)5豎向位移減小9.57%，點(diǎn)7豎向位移增大8.92%，變形差減小為1.18mm。

剪力墻厚為300mm時(shí)，不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)，與墻厚為200mm時(shí)相比，頂層各點(diǎn)的豎向位移顯著減小，最大減小14.1%，，平均減小11.05%，但頂層的豎向變形差增大了17.2%;頂點(diǎn)豎向位移隨加強(qiáng)層的變化規(guī)律和墻厚為200mm時(shí)的相同，兩者相差不大(<1.0%)。

剪力墻厚為400mm時(shí)，不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)，與墻厚為200mm時(shí)相比，頂層各點(diǎn)的豎向位移減小更為顯著，最大減小22.47%，平均減小18.4%，頂層的豎向變形差增大了23.6%;剪力墻厚為600mm時(shí):不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)，與墻厚為200mm時(shí)相比，頂層各點(diǎn)的豎向位移最大減小33.37%，平均減小27.7%，頂層的豎向變形差增大為3.34mm，增大了33.6%。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

剪力墻的厚度增加100mm、200mm和300mm后，墻軸力分別增加22%、39%和64%左右;由于該結(jié)構(gòu)高78.3m，剪力墻厚度不會(huì)達(dá)到600mm，所以可以說剪力墻厚度每增加100mm，其承擔(dān)的總軸力將增加20%左右。這說明增大剪力墻的厚度可以明顯的增大其豎向剛度，“脊柱”作用明顯加強(qiáng)，可以承擔(dān)更多的豎向荷載。同時(shí)，隨著剪力墻厚度的增加，頂層各點(diǎn)的豎向位移也明顯減小。墻厚減小100mm、200mm、400mm時(shí)，頂層各點(diǎn)的豎向位移差分別減小17.2%、23.6%和33.6%，這說明剪力墻厚度的減小，使豎向變形更為均勻。

第3層設(shè)置為加強(qiáng)層后，豎向荷載下剪力墻承擔(dān)的軸力，在加強(qiáng)層突然增大(7.75～14.8%);加強(qiáng)層至底層剪力墻軸力增大，增大百分比顯著減小;加強(qiáng)層至頂層剪力墻軸力減小，減小百分比逐漸減小。第2道加強(qiáng)層設(shè)在第14層時(shí)，2道加強(qiáng)層之間從下至上軸力減小，減小百分比逐漸減小，但減小量低于只設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)的減小量。頂層設(shè)有加強(qiáng)層時(shí)，對(duì)頂層的墻軸力影響最大，最大可增大100.52%。總體來看，剪力墻軸力在加強(qiáng)層及其附近幾層變化最大。在加強(qiáng)層處顯著增大;在加強(qiáng)層以下，軸力增大，但增大幅度較小，且增大百分比逐漸減小;在加強(qiáng)層以上，軸力減小，減小百分比也逐漸減小。同時(shí)，剪力墻厚度不變時(shí)，隨加強(qiáng)層數(shù)的增多，柱子的豎向位移減小，墻的豎向位移增大，使樓層豎向位移趨于均勻。說明加強(qiáng)層有較大的抗彎剛度，減小了加強(qiáng)層以上柱子的豎向位移，并把荷載傳遞到剪力墻，增大其豎向變形，很好的起到了減小變形差的作用。從以上分析來看，加強(qiáng)層設(shè)在第3層和頂層對(duì)改善結(jié)構(gòu)的豎向變形最有利，再設(shè)第3道加強(qiáng)層時(shí)的變化已不大。

3結(jié)論

通過以上分析，對(duì)于高層外鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在豎向荷載一次加載下的受力性能，可以得出以下結(jié)論:

2.1增加剪力墻的厚度，可以顯著的增加剪力墻承擔(dān)的總軸力、減小樓層的平均豎向位移;減小剪力墻厚度可減小樓層的豎向位移差;

2.2設(shè)加強(qiáng)層僅對(duì)加強(qiáng)層及其附近幾層的受力影響較大:加強(qiáng)層處剪力墻軸力突然增大;加強(qiáng)層以下軸力增大，增大百分比逐漸減小;加強(qiáng)層以上軸力減小，減小百分比逐漸減小;

2.3設(shè)加強(qiáng)層可以減小柱子的豎向變形，增大剪力墻的豎向變形，從而顯著減小樓層的豎向變形差;但隨加強(qiáng)層道數(shù)增加，豎向位移差的減小幅度減弱，故加強(qiáng)層不宜多設(shè);

2.4改善結(jié)構(gòu)的豎向受力性能和變形性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾蛹袅Φ暮穸群驮O(shè)置加強(qiáng)層;

2.5加強(qiáng)層附近幾層內(nèi)力發(fā)生突變，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)加強(qiáng)層相連接的構(gòu)件予以加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn):

[1] 龔炳年.鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)研究.建筑科學(xué)，1994(2):10-14.

[2] 趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京:科學(xué)出版社，2000:693-724.

[3] 趙西安.鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

[4] 鄒永發(fā)，張世良，劉立華，尚春雨.超高層結(jié)構(gòu)設(shè)置加強(qiáng)層問題探討.建筑結(jié)構(gòu)，2002(6):44-46.

[5] 羅文斌，張保印.超高層建筑S+RC混合結(jié)構(gòu)豎向變形差的工程對(duì)策.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000(12).