不同斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)平面形式對斜交結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的變形影響研究

葉 海

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為高層建筑的外筒結(jié)構(gòu)，不僅外觀優(yōu)美，其結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力也較好；斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式靈活多變，但對于斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上的理論研究還不夠完善，為了實(shí)現(xiàn)對斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在平面形式和節(jié)點(diǎn)形式的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，綜合研究斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)平面形式與斜交節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性能是具有重要的意義的[1-6]。

目前，國內(nèi)外對斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)基本性能的研究上已經(jīng)基本完善，但對于綜合斜交節(jié)點(diǎn)與平面形式之間相關(guān)的研究卻鮮有研究；劉成清、羅馨怡得到了斜交網(wǎng)格外筒在豎向荷載作用下不同斜交節(jié)點(diǎn)的連接形式對斜交結(jié)構(gòu)外鼓的影響[7]，但在結(jié)構(gòu)平面形式研究卻未有涉及；呂興遠(yuǎn)考慮了在側(cè)向荷載作用下斜交節(jié)點(diǎn)連接方式對斜交結(jié)構(gòu)的變形影響[8]，但沒有涉及結(jié)構(gòu)平面形式上的研究；黃超、韓小雷等考慮了結(jié)構(gòu)平面形式對斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的影響，但都主要基于斜交角度作為參數(shù)來研究，并未考慮到斜交節(jié)點(diǎn)連接方式的相關(guān)研究[9]。以上研究都對本文研究不同斜交網(wǎng)格平面形式對在不同節(jié)點(diǎn)連接形式下斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的變形影響特點(diǎn)提供了依據(jù)。

研究斜交結(jié)構(gòu)的平面形式、斜交節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計選擇和節(jié)點(diǎn)的施工便利性具有一定的意義，從而達(dá)到在平面形式以及斜交節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)的目的。

1 模型建立

建立平面形式為四邊形、六邊形、十二邊形的筒中筒結(jié)構(gòu)的有限元模型，模型的層高均為3.6 m，共30層，總高108 m，其模型從下至上內(nèi)外筒斜柱采用方鋼管，其截面尺寸和材料均相同；其連系梁、主環(huán)梁、次環(huán)梁均采用工字型鋼，其截面尺寸和材料均相同，其斜柱與梁材料均采用Q345鋼材，結(jié)構(gòu)底層支座處為固定端約束，環(huán)梁在斜柱節(jié)點(diǎn)處相交層稱為主環(huán)梁結(jié)構(gòu)層，其余稱為次環(huán)梁結(jié)構(gòu)層[10-11]，本文以保證平面形式為四邊形、六邊形、十二邊形的三種模型用鋼量基本相同，斜交角度基本相同，斜柱數(shù)相同來進(jìn)行有效對比，故其不同平面形式的斜交結(jié)構(gòu)建模數(shù)據(jù)如表1所示。

為了更好地研究節(jié)點(diǎn)對斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體性能的影響，排除結(jié)構(gòu)板對斜交結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)約束作用，故本文所建立的簡易模型沒有結(jié)構(gòu)板(圖1)[9-12]。

(b) 六邊形

(c) 十二邊形

由于以上三種斜交結(jié)構(gòu)平面形式為對稱型，故可取結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形的三條線路，六邊形的兩條線路，十二邊形的一條線路來囊括其各自在荷載作用下每層最大側(cè)向位移和豎向位移，其每條線路由虛線標(biāo)識(圖2)。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 豎向荷載下結(jié)構(gòu)變形

經(jīng)過SAP2000有限元分析得到平面形式為四邊形、六邊形、十二邊形的斜交結(jié)構(gòu)在豎向荷載和側(cè)向倒三角荷載作用下斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型的豎向位移和側(cè)向位移，通過劃分不同平面形式的位移線路，故可得其斜交結(jié)構(gòu)在剛接情況下的側(cè)向位移如圖3。但為了更好地分析和研究，本文又將不同平面形式下分析的位移線路數(shù)據(jù)分別進(jìn)行最大值包絡(luò)處理，其可分別得到結(jié)構(gòu)在剛接、鉸接情況下的豎向位移和側(cè)向位移如圖4、圖5。

(a) 四邊形-1

(b) 四邊形-2

(c) 四邊形-3

(d) 六邊形-1

(e) 六邊形-2

(f) 十二邊形-1

圖3 剛接-側(cè)向位移

(a)剛接

(b)鉸接圖4 側(cè)向位移包絡(luò)圖

2.2 不同斜交節(jié)點(diǎn)連接形式下斜交外筒變形

由圖4可知，在豎向荷載的作用下，斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體變形形態(tài)基本相似。節(jié)點(diǎn)剛接時，其樓層側(cè)向位移呈凹凸規(guī)律，并無太大突變，平面形式為十二邊形與四邊形、六邊形時的斜交結(jié)構(gòu)對比，可發(fā)現(xiàn)在平面形式為十二邊形時的結(jié)構(gòu)下部樓層側(cè)向位移較大，在結(jié)構(gòu)上部則反之；節(jié)點(diǎn)鉸接時，結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層側(cè)向位移大致呈凹凸規(guī)律，且在主環(huán)梁層都有位移突變增大，且結(jié)構(gòu)平面形式為十二邊形較六邊形在第十層主環(huán)梁層位移突變大，在第二十層處位移突變則相較反之。

但對比三種平面形式下可以發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，且突變幅度較平均，與結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時對比較小些。整體來講，無論斜交結(jié)構(gòu)平面形式為何種形狀，其斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，斜交節(jié)點(diǎn)為鉸接時的位移都大于斜交節(jié)點(diǎn)剛接時的位移。

由圖5可知，在豎向荷載的作用下，斜交結(jié)構(gòu)整體變形形態(tài)基本相似，節(jié)點(diǎn)剛接時，結(jié)構(gòu)樓層豎向位移相差甚小，平面形式為四邊形時，樓層豎向位移稍?。还?jié)點(diǎn)鉸接時，平面形式為六邊形和十二邊形時，其從下到上其樓層豎向位移逐漸增大，且在主環(huán)梁層都有位移突變增大。但對比三種平面形式下可以發(fā)現(xiàn)，其平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，樓層豎向位移忽大忽小，且位移突變幅度較與平面形式為十二邊形和六邊形時偏大。

2.3 側(cè)向倒三角荷載下結(jié)構(gòu)變形

同理，可得其斜交結(jié)構(gòu)在剛接情況下的側(cè)向位移如圖6，得到結(jié)構(gòu)在剛接、鉸接包絡(luò)情況下的豎向位移和側(cè)向位移如圖7、圖8。

(a)剛接

(b)鉸接圖5 豎向位移包絡(luò)圖

圖6 剛接-側(cè)向位移

(a)剛接

(b)鉸接圖7 側(cè)向位移包絡(luò)圖

2.4 不同斜交節(jié)點(diǎn)連接形式下斜交外筒變形

由圖7可知，在側(cè)向倒三角荷載的作用下，斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形形態(tài)在結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時相似。結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時，其結(jié)構(gòu)整體變形形態(tài)與其相差較大。節(jié)點(diǎn)剛接時，其結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層側(cè)向位移呈凹凸規(guī)律，并無太大突變。結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時，結(jié)構(gòu)從下到上其樓層側(cè)向位移逐漸增大，對比其樓層側(cè)向位移基本都大于結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形的情況下的側(cè)向位移，且樓層越高越大的多，并無位移突變；節(jié)點(diǎn)鉸接時，結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層側(cè)向位移大致呈凹凸規(guī)律，且在主環(huán)梁層都有位移突變增大，且結(jié)構(gòu)平面形式為十二邊形較六邊形在第十層主環(huán)梁層位移突變較大，在第二十層處位移突變則相較反之。

但對比三種結(jié)構(gòu)平面形式下可以發(fā)現(xiàn)，其平面形式為四邊形時，其位移突變幾乎沒有，且對比其它樓層側(cè)向位移，除了第十層主環(huán)梁位移突變處，其基本都大于結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形的情況下的側(cè)向位移。整體來講，無論斜交結(jié)構(gòu)平面形式為何種形狀，其斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，斜交節(jié)點(diǎn)為鉸接時的位移都大于斜交節(jié)點(diǎn)剛接時的位移。

(a)剛接

(b)鉸接圖8 豎向位移包絡(luò)圖

由圖8可知，在側(cè)向倒三角荷載的作用下，斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體豎向變形形態(tài)相似。節(jié)點(diǎn)剛接時，其樓層豎向位移相差甚小，且結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時的樓層豎向位移偏小；節(jié)點(diǎn)鉸接時，結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層從下到上樓層豎向位移逐漸增大，且在主環(huán)梁層都有位移突變增大，但對比三種平面形式下可以發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，樓層豎向位移忽大忽小，且突變幅度與結(jié)構(gòu)平面形式為十二邊形和六邊形時對比較大些。

3 結(jié)論

通過有限元軟件SAP2000建立斜交網(wǎng)格筒體結(jié)構(gòu)模型，模擬其受力變形，得到如下結(jié)論：

(1)對比其不同結(jié)構(gòu)平面形式下的斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，斜交節(jié)點(diǎn)為鉸接時的豎向位移和側(cè)向位移都大于斜交節(jié)點(diǎn)剛接時的位移，除了在側(cè)向倒三角荷載作用下的側(cè)向位移其結(jié)構(gòu)整體變形形態(tài)有較大區(qū)別，其它情況時，其結(jié)構(gòu)整體變形形態(tài)基本相似。

(2)對比其不同結(jié)構(gòu)平面形式下的斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)鉸接時，在樓層發(fā)生位移突變增大，其結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時，其主要的位移突變樓層在主環(huán)梁層；其結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，突變幅度較平均。

(3)結(jié)構(gòu)平面形式為四邊形時，在側(cè)向倒三角荷載作用下，對比其樓層最大側(cè)向位移基本都大于結(jié)構(gòu)平面形式為六邊形和十二邊形時的側(cè)向位移，且樓層越高越大的越多，且無論在鉸接或剛接情況下都無樓層位移突變。

(4)對于不同結(jié)構(gòu)平面形式的斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)平面形式越接近圓形，雖然其結(jié)構(gòu)豎向變形有稍微增大，但在節(jié)點(diǎn)鉸接時，樓層的變形突變性??；雖然其在主環(huán)梁層剛接時結(jié)構(gòu)側(cè)向變形較大，且在節(jié)點(diǎn)鉸接時主環(huán)梁層有較大的位移突變增大，但其余樓層的變形較小，位移突變樓層較少。