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        斜交網(wǎng)格筒結構側向剛度影響因素研究

        2018-10-15 00:58:52
        關鍵詞:結構

        桑 丹

        (陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 西安:710300)

        目前,國內外已有多例斜交網(wǎng)格筒結構體系的工程實例。斜交網(wǎng)格筒結構最早出現(xiàn)在1960年左右在匹茲堡建成的IBM大廈,如圖1(a)所示。在國內,斜交網(wǎng)格筒結構體系也已有許多工程實例,首次在超高層建筑中采用鋼管混凝土斜交網(wǎng)格筒中筒結構體系的就是廣州西塔,如圖1(b)所示,它具有較大的抗側剛度以及良好的抗震性能。

        圖1 典型斜交網(wǎng)格筒高層建筑

        斜交網(wǎng)格筒結構是由水平環(huán)梁和斜向布置的交叉斜柱組合而成,它與傳統(tǒng)的垂直梁柱結構形式完全不同[1-2]。斜交網(wǎng)格筒結構主要依靠斜交網(wǎng)格筒中的桿件軸力來抵抗外荷載,使構件承載力得到充分地發(fā)揮,有較大的抗側剛度,該新型結構體系為高層及超高層建筑的發(fā)展提供了有利的條件[3-4]。目前,斜交網(wǎng)格筒結構的力學性能研究滯后于工程實際應用,所以對此類新型結構體系進行側向剛度影響因素研究具有重大意義。

        1 模型選取及分析方法

        建立斜交網(wǎng)格筒模型,層高為4m,平面為36m×36m的正四邊形,斜柱為鋼管混凝土,鋼材采用Q345,混凝土為C40。未特殊說明的情況下,模型中各層環(huán)梁均采用H型鋼H400×300×10×16,斜柱與斜柱以及斜柱與水平環(huán)梁的相交節(jié)點采用剛性連接。利用SAP2000結構分析軟件對斜交網(wǎng)格筒結構進行側向荷載作用下的靜力彈性分析,找出影響斜交網(wǎng)格筒結構側向剛度的主要因素。

        斜交網(wǎng)格筒結構的幾何布置如圖2所示。圖2僅截取了結構的一個模塊,結構的寬度B均為36m,結構的高度H在后續(xù)的分析模型中,針對不同的因素有不同的取值,均有所表述。

        圖2 幾何布置圖

        由圖2中各幾何參數(shù)之間的關系,認為影響斜交網(wǎng)格筒結構抗側剛度的幾何因素為斜柱角度α、結構的高寬比H/B以及主環(huán)梁跨數(shù)m。

        2 側向剛度影響因素

        2.1 斜柱角度

        經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),斜交網(wǎng)格筒結構的抗側剛度比傳統(tǒng)框筒結構的抗側剛度大[2]。對于斜柱的角度α=90°的結構,可以認為其是傳統(tǒng)的框筒結構。斜柱角度α在35°附近時,斜交網(wǎng)格筒的抗剪剛度最大;斜柱角度α為90°時,其抗彎剛度最大。所以,在35°~90°之間,隨著斜柱角度α的逐漸增大,側向剪切剛度在逐漸減小,側向彎曲剛度在逐漸增加。那么,一定存在著一個最優(yōu)的角度值,使得斜交網(wǎng)格筒結構的抗側剛度達到最大。

        對于N為30、45、60、75、90層的模型,主環(huán)梁跨數(shù)均為m=3,改變斜柱角度α為34°、53°、63°、69°、73°、76°、83°分別進行對比分析,圖3給出了30層的結構模型。改變α值,模型中斜柱的長度也會隨之發(fā)生變化。為便于比較,根據(jù)斜柱用鋼量M相等、桿件徑厚比相近的原則,以α=69°時的斜柱截面為基準,徑厚比控制在30左右,計算其余各斜柱的截面尺寸:M=Ah/sinα(A—斜柱橫截面積,h—樓層高)。

        圖3 不同斜柱角度的結構模型(N=30,m=3)

        圖4中(a)-(e)分別為相同結構寬度(36m),不同的樓層數(shù)(即不同結構高度)下,改變斜柱角度的頂點位移。不同斜柱角度下結構的頂點位移曲線如圖4所示,由圖4可知:

        (1)當N=30時,除了34°和83°,其余5種角度下結構的頂點位移值相近。當α值在53°~76°范圍內時,斜柱角度對結構抗側剛度的影響不大。

        (2)隨著高寬比增大,α對結構抗側剛度的影響逐漸明顯。結構最大抗側剛度對應的α值(即斜柱角度最優(yōu)值)隨著結構高寬比的增大而出現(xiàn)上升的趨勢,如樓層數(shù)N為30、45、60、75、90時對應的斜柱角度最優(yōu)值分別為63°、63°~73°、69°~73°、73°、76°。

        (3)在α最優(yōu)值附近的角度,使得結構具有相近的抗側剛度,所以可以認為斜柱角度的最優(yōu)值是處在某一區(qū)間范圍的角度值。當樓層數(shù)N為30、45、60、75、90時對應的α最優(yōu)值區(qū)間分別為53°~63°、63°~73°、69°~76°、69°~76°、73°~76°。由此可見,隨著結構高寬比的增大,結構最大抗側剛度對應的斜柱角度最優(yōu)值區(qū)間在上移。

        2.2 結構高寬比

        為了分析高寬比對結構抗側剛度的影響,對5種不同高寬比(分別為3.3、5、6.7、8.3、10)的結構進行對比,保持結構平面不變、主環(huán)梁跨數(shù)m=3,樓層數(shù)N分別為30、45、60、75、90。

        斜柱角度α=73°時,各高寬比的結構側移曲線如圖5所示。由圖5可知:斜交網(wǎng)格筒結構高寬比較小時,結構側向變形主要為剪切型;當結構的高寬比較大時,其側向變形主要為彎曲型。隨著結構高寬比的增大,其對抗彎剛度的需求在不斷增強,而對抗剪剛度的需求在減小。斜交網(wǎng)格筒結構的抗彎剛度主要取決于斜柱軸向剛度沿豎向的分量;其抗剪剛度主要取決于斜柱軸向剛度沿水平方向的分量。

        高層建筑中,隨著建筑物高度增加,剪力和彎矩都在增大,但是兩者增加的幅度明顯不同。其底部的剪力呈線性增長,而彎矩增長迅速。因此在實際工程中,可以根據(jù)結構的高度對斜交網(wǎng)格筒中的斜柱采用變角度布置,以滿足結構在不同高度處對抗側剛度的需求。

        圖4 斜柱角度對結構側移的影響

        圖5 高寬比對結構側移的影響

        2.3 主環(huán)梁跨數(shù)

        建立4組模型,主環(huán)梁跨數(shù)m分別為3、4、5、6,結構平面為36m×36m的正四邊形保持不變。模型建立過程中,保證4組模型每層斜柱的用鋼量相等,而且保證圓管截面的徑厚比在30左右。

        不同主環(huán)梁跨數(shù)的結構頂點位移曲線如圖6所示。由圖6可知:對于m=3,α=73°;m=4,α=74°;m=5,α=73°;及m=6,α=76°的結構,α值對結構抗側剛度的影響較小,4組模型的α值比較接近而且各自均處在其最優(yōu)值附近。

        為了分析主環(huán)梁跨數(shù)及結構高寬比對結構抗側剛度的影響,對比在N為30、45、60、75時,m=3,α=73°;m=4,α=74°;m=5,α=73°;及m=6,α=76°的頂點側移情況,其結構模型圖如圖7所示。不同主環(huán)梁跨數(shù)的結構頂點位移情況如圖8所示,在α值較接近的情況下,m值改變對結構的頂點位移影響很小。

        雖然主環(huán)梁跨數(shù)m對結構的抗側性能影響很小,但是不同的m值會改變環(huán)梁的跨度及相交節(jié)點的數(shù)目。當主環(huán)梁跨數(shù)m較大時,會導致環(huán)梁的跨度較小、各種構件及節(jié)點數(shù)量較多,從而使得施工起來比較麻煩而且材料用量也比較浪費;當主環(huán)梁跨數(shù)m較小時,會導致環(huán)梁跨度較大,使得其材料用量明顯加大。因此,實際工程中m的取值要綜合考慮建筑美觀、施工難易程度及材料用量等方面的因素,從而確定出合理的主環(huán)梁跨數(shù)。

        圖6 不同主環(huán)梁跨數(shù)的結構頂點位移

        圖7 不同主環(huán)梁跨數(shù)結構模型(30層)

        圖8 主環(huán)梁跨數(shù)對結構側移的影響

        2.4 斜柱和環(huán)梁的相對剛度

        為了考慮斜柱和環(huán)梁的相對剛度對斜交網(wǎng)格筒結構抗側性能的影響,對于樓層數(shù)N=60,α=69°,m=3的結構模型,斜柱截面保持不變,改變環(huán)梁的尺寸。環(huán)梁分別采用H300×200×8×12、H400×300×10×16及H500×300×11×15,在側向荷載作用下,對應的結構頂點位移分別為179.0mm、178.9mm及178.7mm,如圖9所示。由圖9可知,在其他條件相同的情況下,改變斜柱和環(huán)梁的相對剛度,結構的頂點位移幾乎不發(fā)生改變,說明環(huán)梁剛度改變對結構抗側剛度影響很小。

        圖9 斜柱和環(huán)梁的相對剛度對結構側移的影響

        2.5 角柱

        對于結構平面為四邊形的斜交網(wǎng)格筒結構,其轉角處的環(huán)梁為懸挑狀態(tài),可以通過在轉角處增設豎向角柱,使得結構構件自然過渡,增強了結構的整體性。對于樓層數(shù)N=60,斜柱角度α=53°,主環(huán)梁跨數(shù)m=6的結構模型,受拉翼緣立面底層柱在有無角柱情況下的軸力對比如圖10所示,結構側移曲線對比如圖11所示。由圖11可知:

        (1)對于無角柱的結構,其立面中部的斜柱軸力較小,角部的斜柱軸力較大,各斜柱軸力分布整體較為均勻,結構頂點位移為286mm。

        (2)對于增設角柱(截面尺寸與斜柱相同)的結構,斜柱軸力分布均勻,其值較無角柱狀態(tài)下降低了約20%;但是角柱軸力值較大,約為中間斜柱的1.7倍;結構頂點位移為232mm。

        由以上分析可知,在結構角部增設角柱,可以提高結構的抗側剛度、降低斜柱軸力,但同時會引起角柱應力集中現(xiàn)象。

        圖10 角柱對斜柱軸力的影響

        圖11 角柱對結構側移的影響

        2.6 桿件連接形式

        在前述的分析模型中,斜柱與斜柱及斜柱與水平環(huán)梁相交節(jié)點均采用剛性連接,把這種連接形式稱為剛接。為了分析不同桿件連接形式對結構抗側性能的影響,將斜柱兩端鉸接、環(huán)梁固支于斜柱的連接形式稱為鉸接[5]。

        對于樓層數(shù)N=60,斜柱角度α=69°,主環(huán)梁跨數(shù)m=3的結構模型,采用靜力彈性分析方法,得到斜柱在剛接情況下結構的頂點位移為179mm,鉸接時為180mm,其側移曲線如圖12所示。受拉翼緣立面中的底層斜柱,在鉸接狀態(tài)下,其最大、最小軸力分別為3435kN和3228kN;在剛接情況下,其最大、最小軸力分別為3413kN和3205kN,斜柱的桿端彎矩為46kN·m,彎矩值很小可忽略不計,可認為其等同于斜柱兩端鉸接。由上述分析可知,斜柱兩端桿件的連接形式對其抗側剛度影響很小,實際工程中對于桿件的連接以便于施工為原則。

        圖12 桿件連接形式對結構側移的影響

        3 小結

        本文通過對斜交網(wǎng)格筒結構抗側剛度影響因素的研究,得到了以下主要結論:

        (1)隨著結構高寬比增大,斜柱角度對結構抗側剛度的影響逐漸明顯,斜柱角度的最優(yōu)值區(qū)間整體上移。斜交網(wǎng)格筒結構高寬比較小時,結構側向變形主要為剪切型;當結構的高寬比較大時,其側向變形主要為彎曲型。

        (2)主環(huán)梁跨數(shù)、環(huán)梁的相對剛度以及桿件的連接形式等對斜交網(wǎng)筒結構的抗側性能影響很小,實際工程中的取值要綜合考慮建筑美觀、施工難易程度及材料用量等方面的因素。在結構角部增設豎向的角柱,雖然可以增大結構的抗側剛度,但是同時也會引起應力集中現(xiàn)象,應慎重考慮。

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