高層鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)不同加強措施下協(xié)同工作性能研究

龍立志， 呂金寶

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

?

高層鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)不同加強措施下協(xié)同工作性能研究

龍立志， 呂金寶

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

【摘要】鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)體系在我國高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。文章利用通用有限元軟件MIDAS/GEN對該結(jié)構(gòu)體系模型進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析、PUSHOVER分析，研究了不同組合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能。

【關(guān)鍵詞】抗震性能;混合結(jié)構(gòu);加強措施;協(xié)同作用

鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)一般指由鋼筋混凝土筒體或剪力墻和鋼框架組成的抗側(cè)力體系,以剛度很大的鋼筋混凝土部分承受風(fēng)力和水平地震作用，鋼框架主要承受豎向荷載。高層鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)兩種材料的巧妙組合滿足了建筑使用功能和建筑高度上的要求。在結(jié)構(gòu)受力方面，可減輕結(jié)構(gòu)自重，提高豎向承載能力和抗風(fēng)抗震能力，增強了結(jié)構(gòu)的延性，使結(jié)構(gòu)高度不斷突破鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的極限。

1地震作用計算及分析

本文在分析中采用了振型分解反應(yīng)譜法、靜力彈塑性分析法。

振型分解反應(yīng)譜法是將振型分解法和反應(yīng)譜法結(jié)合起來的一種計算多自由度體系地震作用的方法，其基本假定是：

(1)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是線彈性的，可以采用疊加原理進(jìn)行振型組合；

(2)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是剛性的；

(3)結(jié)構(gòu)最不利地震反應(yīng)為其最大地震反應(yīng)；

(4)地震時地面運動為平穩(wěn)的隨機過程。

在上述假定的基礎(chǔ)上，利用振型分解和振型正交性原理，把結(jié)構(gòu)在地震作用下復(fù)雜的振型分解為各個獨立振型的疊加，然后利用單自由度體系的反應(yīng)譜來分別計算結(jié)構(gòu)在各獨立振型下的地震效應(yīng)，最后進(jìn)行地震效應(yīng)組合，從而得到結(jié)構(gòu)的整體地震效應(yīng)。

靜力彈塑性分析是一種介于彈性分析和動力彈塑性分析之間的方法，其理論核心是“目標(biāo)位移法”和“承載力譜法”。其基本過程如下：

(1)建立結(jié)構(gòu)的計算模型、構(gòu)件的物理參數(shù)和恢復(fù)力模型等；

(2) 計算結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力；

(3) 建立側(cè)向荷載作用下的荷載分布形式，將地震力等效為倒三角或與第一振型等效的水平荷載模式。在結(jié)構(gòu)各層的質(zhì)心處，沿高度施加以上形式的水平荷載。確定其大小的原則是：水平力產(chǎn)生的內(nèi)力與前一步計算的內(nèi)力疊加后，恰好使一個或一批桿件開裂或屈服；

(4) 對于開裂或屈服的桿件，對其剛度進(jìn)行修改后，再增加一級荷載，又使得一個或一批桿件開裂或屈服；

(5) 不斷重復(fù)步驟(3)、(4)，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到某一目標(biāo)位移或發(fā)生破壞，將此時的結(jié)構(gòu)的變形和承載力與允許值比較，以此來判斷是否滿足“大震不倒”的要求。

2分析模型

高層、超高層建筑中廣泛運用的鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)主要指外鋼框架與混凝土核心筒組成的組合結(jié)構(gòu)。鋼框架、混凝土芯筒兩者之間的剛度差別很大，為確保其有效的工作，鋼框架與芯筒之間除了普通的聯(lián)系之外，還需要一定的加強措施。已建和在建的眾多此類結(jié)構(gòu)中均設(shè)置了不同形式的加強措施，主要的措施有伸臂、環(huán)向桁架及交叉支撐。伸臂及環(huán)向桁架屬于加強層的范疇。加強層是設(shè)置在高層建筑中的某幾個部位，通常是利用設(shè)備層或避難層設(shè)置剛度較大的水平外伸構(gòu)件(剛性很大的桁架或梁)加強核心筒與框架柱的聯(lián)系，必要時可設(shè)置剛度較大的周邊環(huán)帶構(gòu)件，加強外周框架角柱與翼緣柱的聯(lián)系。支撐用以解決鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)中的鋼框架的側(cè)向剛度差的問題，主要包括中心支撐和偏心支撐。

本文選取一典型高層外鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)作基本研究模型A，基本概況：采用“外鋼框架-內(nèi)混凝土芯筒”結(jié)構(gòu)體系，芯筒平面尺寸為10 m×10 m，芯筒高寬比為13.4。軸線尺寸22 m×22 m。首層和二層層高為4.5 m，其余層高3.3 m，建筑總高度為134.4 m，房屋高寬比為6.0。該樓按8度(0.02g)抗震設(shè)防，建筑場地為II類場地,設(shè)計地震分組第一組。

為研究不同加強措施下鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)在地震作用下的協(xié)同工作性能, 在模型A的基礎(chǔ)上建立3個有限元模型B、C、D，具體模型示意見圖1～圖6。、

模型B是在模型A的基礎(chǔ)上，在鋼框架上每隔10層布置一對X大型支撐。

圖1　模型A平面

圖2　模型A立面

圖3　模型A透視

圖4　模型B透視(支撐)

圖5　模型C(伸臂及環(huán)向桁架)

圖6　模型D(支撐+環(huán)向桁架)

模型C是在模型A的基礎(chǔ)上，分別在10層、20層、30層、40層的鋼框架和核心筒之間增設(shè)伸臂桁架，并在同一層的外圈鋼框架上增設(shè)了環(huán)向桁架。

模型D在每隔10層布置一對X大型斜撐的基礎(chǔ)上，分別在10層、20層、30層、40層的鋼框架和核心筒之間增設(shè)伸臂桁架，并在同一層的外圈鋼框架上增設(shè)了環(huán)向桁架，即是B、C模型的綜合體。

3協(xié)同工作性能分析

3.1模態(tài)分析

對比結(jié)構(gòu)模型A、B、C、D的前幾階模態(tài)對應(yīng)的周期，表1為各模型前十階周期比對。第一周期T均在合理的范圍內(nèi){T=(0.06～0.08)n，n為樓層層數(shù)}。

表1　各模型前十階周期比對　s

各基本模型結(jié)構(gòu)平面布置雖然都是正方形，但由于內(nèi)混凝土核心筒剪力墻布置在X、Y方向上有區(qū)別，造成了X、Y方向上剛度的不一致，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在X、Y向上的平動周期有差別，但差別不大。由表1可以看出：

(1)模型B的各模態(tài)周期比基本模型A相對應(yīng)周期要小。這是因為模型B在外鋼框架上增設(shè)了大型支撐后，外鋼框架的剛度得到加強，結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，周期減小。

(2)模型C的各模態(tài)周期介于模型A、模型B對應(yīng)周期之間。模型C是在模型A的基礎(chǔ)之上每隔十層增設(shè)一層伸臂及環(huán)向桁架。說明：增設(shè)伸臂桁架及環(huán)向桁架，外框架與芯筒連接更為緊密，結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，自振周期減??；增設(shè)伸臂桁架及環(huán)向桁架對整體剛度的貢獻(xiàn)較設(shè)置大型支撐弱。

(3)模型D的各模態(tài)周期在四個結(jié)構(gòu)模型中是最小的。說明同時增設(shè)大型支撐和伸臂及環(huán)向桁架對結(jié)構(gòu)整體剛度貢獻(xiàn)最大。

3.2結(jié)構(gòu)側(cè)移

結(jié)構(gòu)的變形是衡量結(jié)構(gòu)水平地震作用下協(xié)同工作性能的一個重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)模型的變形分析，主要分析樓層位移和層間角位移。對比模型A、B、C、D的樓層位移和層間位移角度，分析不同加強措施下混合結(jié)構(gòu)的變形(圖7)。

圖7　水平地震作用下樓層層間位移角

頂點位移和最大層間位移角往往是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵控制指標(biāo)，對比模型A、B、C、D水平地震作用下的頂層位移和最大層間位移角見表2。

表2　模型頂層位移與最大位移層間位移角對比　rad/s

由以上分析可知:

(1)模型A的樓層側(cè)移和層間位移角是最大的。

(2)模型B的樓層側(cè)移和層間位移角比模型A小。模型B在外鋼框架上增設(shè)了大型支撐后，外鋼框架的剛度得到加強，結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，樓層側(cè)移和層間位移角。

(3)模型C的樓層側(cè)移和層間位移角介于模型A、模型B之間。模型C是在模型A的基礎(chǔ)之上每隔十層增設(shè)一層伸臂及環(huán)向桁架。增設(shè)伸臂桁架及環(huán)向桁架，外框架與芯筒連接更為緊密，結(jié)構(gòu)的整體剛度增大，自振周期減??；增設(shè)伸臂桁架及環(huán)向桁架對整體剛度的貢獻(xiàn)較設(shè)置大型支撐弱。

(4) 模型D的樓層側(cè)移和層間位移角在四個結(jié)構(gòu)模型中最小。模型D在模型A的基礎(chǔ)上同時增設(shè)大型支撐和伸臂及環(huán)向桁架，鋼框架與芯筒得到更為有效充分的聯(lián)系，結(jié)構(gòu)整體剛度貢最大，水平荷載作用下樓層側(cè)移和層間位移角相比其他模型大幅度減小。

(5)模型C、模型D在每隔10層設(shè)置了伸臂桁架和環(huán)向桁架處，樓層側(cè)移及層間位移角在加強處就有突變。伸臂和環(huán)向桁架的設(shè)置使得該樓層剛度相對于相鄰樓層發(fā)生了突變，層間抗側(cè)剛度曾大，樓層側(cè)移和層間位移角減小，出現(xiàn)了圖示的位移折角。

3.3內(nèi)力分析

鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)中框架與芯筒對剪力、彎矩的分配反應(yīng)兩者的協(xié)同工作性能。

四種模型水平地震作用下的底層剪力見表3。

表3　水平地震作用下模型底層剪力分配

分析比較四種模型水平地震作用下的底部彎矩在框架與芯筒之間的分配(表4)。

表4　水平地震作用下模型底層彎矩分配

以上分析得出：(1)水平地震作用下混凝土芯筒承擔(dān)著大部分的彎矩和剪力。(2)設(shè)置加強措施之后，增大外鋼框架的剛度及其與與芯筒的聯(lián)系，可以分擔(dān)水平荷載下的彎矩與剪力。(3)大型支撐的設(shè)置對外鋼框架參與水平地震力作用下內(nèi)力的分擔(dān)優(yōu)于伸臂及環(huán)向桁架，它能承擔(dān)更多的地震剪力與彎矩。

3.4靜力彈塑性分析

對各模型做靜力彈塑性分析，研究結(jié)構(gòu)在進(jìn)入彈塑性階段混合結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)，比較不同加強措施在地震作用下鋼框架-混凝土芯筒混合結(jié)構(gòu)協(xié)同受力性能的影響。

圖8為各模型在靜力彈塑性分析階段的基底剪力—控制點位移曲線(平地震作用下結(jié)構(gòu)位移最大的點作為控制點)。

增設(shè)大型斜撐，可以有效的提高外框架的剛度及結(jié)構(gòu)整體剛度，相應(yīng)的模態(tài)周期也在減?。挥行У臏p小結(jié)構(gòu)的樓層位移和層間位移角；地震作用下，外鋼框架分擔(dān)更多的地震剪力與彎矩，與芯筒的協(xié)同工作性能增強。

伸臂及環(huán)向桁架的設(shè)置提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)移和層間位移角，卻容易使結(jié)構(gòu)在豎向上剛度不連續(xù)，內(nèi)力、位移等在加強處增大。

同時設(shè)置斜撐及伸臂環(huán)向桁架提高結(jié)構(gòu)的整體剛度提高，位移、內(nèi)外筒的內(nèi)力分配也趨于合理，但提高的幅度較模型不明顯。同時增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，且容易造成結(jié)構(gòu)在豎向剛度的不連續(xù)，內(nèi)力、樓層位移在加強處增大等問題。

5結(jié)束語

通過對鋼、混凝土高層混合結(jié)構(gòu)在不同加強措施下靜力、側(cè)移、靜力彈塑性等的分析，研究鋼、混凝土混合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能表現(xiàn)，比較不同加強措施的優(yōu)劣，為開展此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

(a)模型A

(b)模型B

(c)模型C

(d)模型D

[1]包世華，張銅生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算(下冊)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]徐培福，傅學(xué)怡.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]沈蒲生. 高層混合結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4]R.W.Clough. and J.Penzien.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M]. 王光遠(yuǎn)，譯. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，1984.

[5]白國良,李紅星,張淑云. 混合結(jié)構(gòu)體系在超高層建筑中的應(yīng)用及問題[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2006,36(8).

[作者簡介]龍立志(1984 ～ )， 男，苗族，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

【中圖分類號】TU398+.9

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-03-10