徐瑞御

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

對于高層建筑設(shè)計,水平力成為主要的控制指標,沿高度方向布置水平加強層是減小側(cè)向變形的有效手段,目前在世界各國得到了廣泛的重視和應(yīng)用。水平加強層在國內(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,對于加強層的研究主要是針對混凝土結(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進行三維建模,對帶水平加強層的鋼框架 -支撐結(jié)構(gòu)進行了地震作用下的時程分析,得出了水平加強層在高層鋼結(jié)構(gòu)中的作用機理。

1 計算模型

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 標準層平面圖

1.2 結(jié)構(gòu)荷載

圖2 加強層平面圖

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

1.3 加強層作用分析

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

?

?

2 地震作用下時程分析計算

2.1 自振周期分析

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

?

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)加強層的位置,層間位移角減小。比較加強層數(shù)量對頂點側(cè)向位移的影響,列表如表 4。可以看到隨著加強層增加,頂點位移減小,但趨勢逐步變慢,過多的加強層對位移影響小。比較方案 2和方案 6,同樣是一道加強層,方案 6對側(cè)向位移貢獻小,可見加強層設(shè)置在頂層對結(jié)構(gòu)整體位移影響小,但對頂層的層間位移有很好的約束作用,對于鞭梢效應(yīng)大的結(jié)構(gòu)可以考慮此種方案。

?

2.3 加強層對外框架柱剪力和彎矩的影響

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

圖5 各種加強層設(shè)置方案下外框架柱彎矩圖

設(shè)置水平加強層后,位于水平加強層處和與水平加強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,均為加強層的位置突變。

2.4 加強層對內(nèi)筒和外框架剪力分配的影響

加強層位置,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,還要分擔一定的剪力,這對外框柱是不利的。

圖6 內(nèi)筒 -外框的剪力分布

3 結(jié) 論

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

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

(3)設(shè)置水平加強層后,位于水平加強層處和與水平加強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,而與水平加強層相連下層的剪力和彎矩卻一定程度的減小。加強層位置結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變,應(yīng)力集中。加強層的數(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)適當增加水平加強層的數(shù)量以減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的突變。

[1]陳富生,邱國華,范重.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004

[2]張耀春,周緒紅.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2007

[3]周霆.帶水平加強層的框架 -筒體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析[D].成都:西南交通大學,2003

[4]易方民,高小旺,王巍,等.水平加強層在超高層鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[J].建筑科學,2001,17(1):15-20