加強(qiáng)層對(duì)高層鋼框架 -支撐結(jié)構(gòu)的影響

徐瑞御

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

對(duì)于高層建筑設(shè)計(jì),水平力成為主要的控制指標(biāo),沿高度方向布置水平加強(qiáng)層是減小側(cè)向變形的有效手段,目前在世界各國(guó)得到了廣泛的重視和應(yīng)用。水平加強(qiáng)層在國(guó)內(nèi)首先應(yīng)用于高層鋼結(jié)構(gòu),后在混凝土核心筒 -外框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。目前,對(duì)于加強(qiáng)層的研究主要是針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu),而高層鋼結(jié)構(gòu)的較少。

本文利用有限元軟件SAP 2000進(jìn)行三維建模,對(duì)帶水平加強(qiáng)層的鋼框架 -支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用下的時(shí)程分析,得出了水平加強(qiáng)層在高層鋼結(jié)構(gòu)中的作用機(jī)理。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何尺寸

選擇結(jié)構(gòu)剛度均勻且體型平面規(guī)則的框架 -支撐鋼結(jié)構(gòu),總高度 115.2m,32層,層高 3.6 m。結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件尺寸見表 1,平面布置見圖 1、圖 2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

1.2 結(jié)構(gòu)荷載

圖2 加強(qiáng)層平面圖

結(jié)構(gòu)恒載取 4.5 kN/m2,活載取 2 kN/m2。地震反應(yīng)計(jì)算采用彈性時(shí)程分析法,8度抗震,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,Ⅲ類場(chǎng)地。時(shí)程計(jì)算時(shí)選用的地震波有:EMCFAIRVIEW AVE 00波、PEL HOLLYWOOD STORAGE 90波、蘭州波 1。

1.3 加強(qiáng)層作用分析

為分析加強(qiáng)層的作用,采取下列加強(qiáng)層設(shè)置方案來進(jìn)行比較,方案見表 2。

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2 地震作用下時(shí)程分析計(jì)算

2.1 自振周期分析

模態(tài)分析得到各方案的計(jì)算自振周期如表 3,通過自振周期的計(jì)算可以看到增加水平加強(qiáng)層,結(jié)構(gòu)的自振剛度提高,結(jié)構(gòu)的自振周期下降,隨著加強(qiáng)層數(shù)目的增加,自振周期下降幅度減慢。

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2.2 側(cè)向剛度

地震作用下,結(jié)構(gòu)X向(東西向)的水平位移曲線如圖 3所示,層間位移曲線如圖 4所示。

圖3 結(jié)構(gòu) X方向的水平位移

圖4 結(jié)構(gòu) X方向?qū)娱g位移

從圖 3和圖 4可以得到結(jié)論,加強(qiáng)層的設(shè)置可以有效地減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移,在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層的位置,層間位移角減小。比較加強(qiáng)層數(shù)量對(duì)頂點(diǎn)側(cè)向位移的影響,列表如表 4?？梢钥吹诫S著加強(qiáng)層增加,頂點(diǎn)位移減小,但趨勢(shì)逐步變慢,過多的加強(qiáng)層對(duì)位移影響小。比較方案 2和方案 6,同樣是一道加強(qiáng)層,方案 6對(duì)側(cè)向位移貢獻(xiàn)小,可見加強(qiáng)層設(shè)置在頂層對(duì)結(jié)構(gòu)整體位移影響小,但對(duì)頂層的層間位移有很好的約束作用,對(duì)于鞭梢效應(yīng)大的結(jié)構(gòu)可以考慮此種方案。

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2.3 加強(qiáng)層對(duì)外框架柱剪力和彎矩的影響

對(duì)彎矩和剪力的影響集中在加強(qiáng)層的位置,此處內(nèi)力突變,外框柱的彎矩圖見圖 5。

圖5 各種加強(qiáng)層設(shè)置方案下外框架柱彎矩圖

設(shè)置水平加強(qiáng)層后,位于水平加強(qiáng)層處和與水平加強(qiáng)層相連的上層處外框架柱的彎矩發(fā)生突變,其承受的彎矩大大

增加。設(shè)置水平加強(qiáng)層數(shù)量和剛度的不同,外框架柱彎矩突變的幅度也不相同。加強(qiáng)層的數(shù)量越多,外框架柱彎矩突變的幅度越小。內(nèi)外框架的剪力圖和彎矩圖基本類似,均為加強(qiáng)層的位置突變。

2.4 加強(qiáng)層對(duì)內(nèi)筒和外框架剪力分配的影響

加強(qiáng)層位置,外框柱剪力增大,使得內(nèi)框筒的水平剪力減小,見圖 6。從圖 6可以看到,加強(qiáng)層有效的為內(nèi)筒和外框架提供了內(nèi)力重分布,使得內(nèi)筒承受的剪力部分轉(zhuǎn)移到外柱上,使得外柱不僅僅承受軸力,還要分擔(dān)一定的剪力,這對(duì)外框柱是不利的。

圖6 內(nèi)筒 -外框的剪力分布

3 結(jié) 論

(1)設(shè)置加強(qiáng)層可以使結(jié)構(gòu)的自振周期減小。增加加強(qiáng)層的數(shù)目可以使結(jié)構(gòu)自振周期不斷減小,隨著加強(qiáng)層數(shù)目的增加這種減小的效果逐漸減弱。

(2)加強(qiáng)層能有效控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。加強(qiáng)層數(shù)目越多結(jié)構(gòu)側(cè)移就越小,每增設(shè)一個(gè)加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)側(cè)移就相應(yīng)減小,但是隨著水平加強(qiáng)層數(shù)目的增加,結(jié)構(gòu)側(cè)移減小的效果逐漸減弱。對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移減小量的效果來說,加強(qiáng)層不宜設(shè)置太多,以設(shè)置 1～2個(gè)效果最好,一般不超過 4個(gè)。

(3)設(shè)置水平加強(qiáng)層后,位于水平加強(qiáng)層處和與水平加強(qiáng)層相連的上層處外框架柱的剪力和彎矩發(fā)生突變,其承受的剪力和彎矩大大增加,而與水平加強(qiáng)層相連下層的剪力和彎矩卻一定程度的減小。加強(qiáng)層位置結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變,應(yīng)力集中。加強(qiáng)層的數(shù)量越多,外框架柱剪力和彎矩突變的幅度越小,有利于抗震。故從抗震的角度考慮,應(yīng)適當(dāng)增加水平加強(qiáng)層的數(shù)量以減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的突變。

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