基于建筑框筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的研究

■李安柯，李倩倩 ■河南省朝陽建筑設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000

筒體結(jié)構(gòu)是建筑空間整截面工作結(jié)構(gòu)，如同一根豎立在地面上的懸臂箱形梁，不僅外形美觀，在使用上方便靈活，受力合理，側(cè)向剛度強(qiáng)。建筑筒體結(jié)構(gòu)主要分為筒中筒以及框架核心筒結(jié)構(gòu)。高層建筑的支撐框筒，乃是根據(jù)桁架內(nèi)力分布的特點(diǎn)，而且依據(jù)他自身的易變形點(diǎn)，并在這一個基礎(chǔ)之上把大型支撐分布于框筒結(jié)構(gòu)表面，最終形成了高大建筑物支撐框筒。建筑物的大型支撐框筒結(jié)構(gòu)大大削弱了剪力滯后效應(yīng)，有利于增大柱距和穩(wěn)固整個框筒結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)建筑物空間的靈活性。大型支撐框筒結(jié)構(gòu)主要用于高層建筑物，結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有主次之分，主結(jié)構(gòu)包括外框筒柱、內(nèi)承重柱、大型斜撐、主樓層外框筒梁，主結(jié)構(gòu)為主要抗側(cè)力體系，主要承擔(dān)水平荷載和豎向荷載;次結(jié)構(gòu)包括次樓層梁、結(jié)構(gòu)內(nèi)部框架梁、樓板，次結(jié)構(gòu)只承擔(dān)豎向荷載和局部水平荷載。本文以某高層寫字樓的大型支撐鋼框筒結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行參數(shù)分析和設(shè)計(jì)，提出此建筑框筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 工程結(jié)構(gòu)

某高層寫字樓為60層大型支撐鋼框筒結(jié)構(gòu)建筑，建筑總高度為216米，每層高度為3.6米，平均每12層建一對大型斜撐，斜撐結(jié)構(gòu)為42m×42m，每邊為6跨。此建筑位于沿海地區(qū)，沒有抗震防設(shè)措施。經(jīng)過測量，此地的基本風(fēng)壓約為0.7kN/m2，最大斜撐尺寸值為，柱尺寸的最大值約為，標(biāo)準(zhǔn)層荷重大約是。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，主構(gòu)件剛度比，斜支撐角度，結(jié)構(gòu)高度比，結(jié)構(gòu)平面長寬比，結(jié)構(gòu)高度，外框筒柱距等參數(shù)會影響建筑物的框筒結(jié)構(gòu)性能。大型支撐框筒的結(jié)構(gòu)性能評價指標(biāo)主要包括結(jié)構(gòu)側(cè)移指標(biāo)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力指標(biāo)，剪力滯后效應(yīng)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)效率指標(biāo)。

2.1 構(gòu)件剛度比對結(jié)構(gòu)的影響

角柱把以下兩樣?xùn)|西聯(lián)系在一起，即我們所說的腹板跟翼緣框架，這樣一來使得框筒產(chǎn)生空間受力。而承擔(dān)外傾覆力矩的關(guān)鍵點(diǎn)是中柱，因?yàn)橹兄淖饔檬钱a(chǎn)生抵抗矩為建筑物體。斜撐結(jié)構(gòu)的存在使得整個框筒提高了效率。而斜撐是基于豎向荷載，最終才可以使外框架柱軸力勻稱化。斜撐代替窗群梁，在整個框筒結(jié)構(gòu)中傳遞兩種類型的剪力，即豎向與水平剪力，因此充分地減小結(jié)構(gòu)次內(nèi)力。斜撐外框架柱同步抵御風(fēng)荷載。若斜撐的剛度弱就無法起到作用，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，反之就會增大角柱承受力。由此我們可以得出，框筒結(jié)構(gòu)受到支撐鋼度很大的影響。

通過進(jìn)行大型斜撐剛度加倍減半實(shí)驗(yàn)，研究分析可得:(1)斜撐剛度與結(jié)構(gòu)側(cè)移成反向比，剛度大，側(cè)移小。所以增強(qiáng)斜撐剛度可以對層間側(cè)移有所減輕。(2)斜撐剛度的增加大大減弱剪力滯后效應(yīng)。斜撐剛度大，剪力滯后就不明顯，角柱軸力減小，中柱軸力則增加。(3)剛度與翼緣柱傾覆力矩分配比的關(guān)系并不顯著。。

2.2 斜撐角度變化對結(jié)構(gòu)性能的影響

在大型支柱框筒結(jié)構(gòu)中，最重要的結(jié)構(gòu)就是巨型斜撐，它關(guān)系著整個框筒結(jié)構(gòu)的剪力傳遞與水平剛度。為了協(xié)調(diào)整個框筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)力傳遞，大型支撐需要以建筑物的層高和柱跨作為參考，然后進(jìn)行框柱的布置。由于斜撐角度影響著斜撐所跨樓層，因此它會影響結(jié)構(gòu)水平剛度以及結(jié)構(gòu)側(cè)移和層間側(cè)移。如果斜撐跨越的樓層過多，一個支撐區(qū)內(nèi)的荷載將會變大，與此同時，斜撐產(chǎn)生水平與豎向剪力在加大的情況下，角柱力也突然加大。若斜撐長，那么就影響到它的軸向變形，加大各個柱之間的相對錯動，進(jìn)一步加劇了結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)。

調(diào)整結(jié)構(gòu)斜撐傾角，我們把斜撐分別跨15和9個樓層，將柱距擴(kuò)大成原來的兩倍，進(jìn)行對比分析可以得出以下結(jié)論:(1)斜撐角度的變化影響著剪力滯后效應(yīng)，隨著斜撐角度增大，剪力滯后效應(yīng)也加大。對于結(jié)構(gòu)底部，斜撐角越大，角柱與中柱軸力則越小，這主要是由于豎向力傳遞造成的效果。(2)隨著柱距加大，結(jié)構(gòu)性能劣化，剪力滯后效應(yīng)就越明顯。不過也存在偏差，因?yàn)槊總€翼緣面之內(nèi)會有兩個中柱，如果柱截面不變的情況下，整個框筒結(jié)構(gòu)會逐漸變形，從而造成柱軸力的增大。如果運(yùn)用相等的用鋼量進(jìn)行設(shè)計(jì)，框筒結(jié)構(gòu)的變形才會大大減少。(3)在柱距相等時，斜撐角度跟支撐框筒側(cè)移無關(guān)，但是會較大程度的影響層間側(cè)移。因?yàn)樾睋谓桥c層間側(cè)移正相關(guān)，這就可以得出結(jié)構(gòu)層剛度會有增大趨勢。(4)斜撐角度的變化基本不影響翼緣柱總傾覆力矩分配比。

2.3 結(jié)構(gòu)平面形狀對結(jié)構(gòu)性能的影響

在國內(nèi)我們一般依照兩條原則確定框筒平面的形狀，首先框筒結(jié)構(gòu)的平面形狀要充分發(fā)揮大型支撐框筒結(jié)構(gòu)的整體工作特性，其次選擇具有對稱性質(zhì)的平面形狀，對稱性質(zhì)的平面形狀結(jié)構(gòu)在地震中可以有效的減少扭轉(zhuǎn)和損壞。綜合概之，像正三角形、圓形等這樣具有對稱性的平面形狀是最科學(xué)和合理的。本文就以矩形為例，來討論結(jié)構(gòu)平面形狀長寬比跟結(jié)構(gòu)性能之間的相互關(guān)系。結(jié)構(gòu)平面形狀中，垂直于水平荷載方向的邊長不能過長，長與寬的比例不能過大，如果過大會降低結(jié)構(gòu)空間工作性能，加大框筒的剪力滯后現(xiàn)象。因此要嚴(yán)格控制筒體結(jié)構(gòu)的平面尺寸，保障筒體結(jié)構(gòu)的空間整體工作特征。

在結(jié)構(gòu)平面面積相同的情況下，通過對四個不同長寬比例的模型進(jìn)行對比分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論:(1)平面形狀的長寬比影響著結(jié)構(gòu)側(cè)移和層間側(cè)移。當(dāng)平面形狀的長寬比增大時，結(jié)構(gòu)順風(fēng)面的寬度減小，結(jié)構(gòu)的抵抗矩減少，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不斷減弱。(2)平面形狀的長寬比越大，結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)不斷加重，角柱應(yīng)力集中系數(shù)也不斷增大。隨之角柱與冀緣中柱軸力也不斷加大。(3)由于平面形狀長寬比增大，筒體結(jié)構(gòu)效率不斷降低。

2.4 結(jié)構(gòu)高度和高寬比對結(jié)構(gòu)性能的影響

框筒結(jié)構(gòu)的高度和寬度要具有科學(xué)合理性，高寬比值過小，則會造成筒體空間效應(yīng)比較小;反之過大，則難以把控結(jié)構(gòu)側(cè)移。結(jié)構(gòu)高度也是如此。

(1)結(jié)構(gòu)高寬比同總傾覆力矩的關(guān)系比較小，而局部彎矩在之中所占的比例較小。(2)隨著結(jié)構(gòu)高寬比的增加，結(jié)構(gòu)總側(cè)移角和層間側(cè)移角不斷增大。與此同時，筒體效應(yīng)得以充分發(fā)揮，剪力滯后效應(yīng)不斷減弱。(3)結(jié)構(gòu)高度不斷增加，整體框筒的用鋼量不斷增加，用鋼量呈非線性增長趨勢。

3 總結(jié)

綜上所述，建筑物中的大型支撐框筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)需要注意以下問題:(1)在框筒結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件剛度比方面，角柱，中柱，內(nèi)柱，斜撐截面的尺寸大小等參數(shù)需要以最開始的設(shè)計(jì)為依據(jù)。在整個框筒結(jié)構(gòu)中，角柱的功能主要是傳遞斜撐荷載，剪力滯后現(xiàn)象存在整個結(jié)構(gòu)工作的始終，由此可知角柱剛度必須要強(qiáng)于中柱剛度。斜撐剛度應(yīng)該在角柱剛度和中柱剛度之間，隨著結(jié)構(gòu)剛度的增大，剪力滯后效應(yīng)逐漸減少。(2)斜撐角度應(yīng)該在30°至60°之間。斜撐角度對層間側(cè)移的影響力偏大，對剪力滯后也有一定的影響。隨著斜撐角度不斷變小，層間側(cè)移也隨之變小，同時剪力滯后效應(yīng)也不斷減弱。在這種情況下，豎向力傳遞效率也大大降低，而外框架內(nèi)力不斷增大。(3)在矩形平面長寬比方面，比例保持在1∶1最佳，不能超過2∶1。這是由于如果長寬比過大，框筒結(jié)構(gòu)的性能就會受到影響，框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)也會隨之增大。(4)高層建筑物的大型支撐框筒結(jié)構(gòu)的高寬比最佳值應(yīng)在3至7之間。若高寬比值過大，就會造成用鋼量變大，無法控制結(jié)構(gòu)側(cè)移;如果結(jié)構(gòu)高寬比過小，就會增加結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)。

［1］徐自國.高層建筑鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)樓層層高變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究［D］.中國建筑科學(xué)研究院，2013.

［2］章錦艷.框架—核心筒高層建筑加強(qiáng)層設(shè)置研究［D］.南昌大學(xué)，2012.

［3］李慧.高層鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化研究［D］.廣州大學(xué)，2012.

［4］孫垚.框架—核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析探討［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011(07):58－60.

［5］盧凱亮.淺談框架—核心筒結(jié)構(gòu)在超限高層設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(02):178.