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        加強(qiáng)層對框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析

        2019-02-21 06:35:44鄒仁華張瓊張浩楊帆
        重慶建筑 2019年2期
        關(guān)鍵詞:雙核心層間振型

        鄒仁華,張瓊,張浩,楊帆

        (西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054)

        0 引言

        為了滿足建筑功能和結(jié)構(gòu)安全性的要求,框架-核心筒結(jié)構(gòu)廣泛地運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中,但在目前的設(shè)計(jì)中框架-核心筒結(jié)構(gòu)往往升級為框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)。

        框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)[1]的作用機(jī)理同框架-核心筒一樣。核心筒作為主要抗側(cè)力構(gòu)件,外圍框架則主要承受豎向荷載,為了抵抗水平力,要求核心筒具有很大的抗側(cè)剛度。但是一方面核心筒尺寸往往受到建筑功能的限制,另一方面核心筒剛度的加大會使地震作用加強(qiáng)。因此,核心筒剛度不能夠也不應(yīng)該過大。由于核心筒抗側(cè)剛度的限制,使得結(jié)構(gòu)存在抗側(cè)剛度不夠、核心筒底部彎矩過大等問題[2],為了解決這些問題,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者常常結(jié)合建筑避難層和設(shè)備層來設(shè)置剛度較大的加強(qiáng)層。加強(qiáng)層通過外框柱產(chǎn)生的拉壓力偶來抵抗部分傾覆力矩,從而減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移[3-5]。

        目前,對普通的框架-核心筒研究較多,而對框架-雙核心筒研究較少;對加強(qiáng)層布置的數(shù)量和豎向位置研究較多,而對在某一層具體怎樣布置研究較少。雙核心筒結(jié)構(gòu)由于具有兩個(gè)核心筒,如果加強(qiáng)層連接每一片墻與外框架柱,這樣就會出現(xiàn)剛度突變過大的現(xiàn)象。因此,本文做了不同加強(qiáng)層的布置方案對框架雙核心筒結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行研究。

        1 分析方法

        對于大部分的高層建筑,在地震作用下宜選用反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算[6],這種方法本質(zhì)上是一種擬動力分析,它首先使用動力方法計(jì)算質(zhì)點(diǎn)地震響應(yīng),并使用統(tǒng)計(jì)的方法形成反應(yīng)譜曲線,然后再使用靜力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。反應(yīng)譜法的優(yōu)點(diǎn)就是反應(yīng)譜曲線的代表性,設(shè)計(jì)曲線來源于地震運(yùn)動的平均值,彌補(bǔ)了時(shí)程分析取有限條地震波作用進(jìn)行計(jì)算的缺點(diǎn)[7]。而反應(yīng)譜法不僅包括每一階振型達(dá)到的位移最大值,還包括了各構(gòu)件在每一階振型中的內(nèi)力最大值,因此不需要處理整個(gè)地震作用時(shí)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng),并且反應(yīng)譜法得出的計(jì)算結(jié)果便于使用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

        2 有限元模型建立

        2.1 建立模型

        本文以漢中某酒店主體框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型,首層為6m,二到五層為5.1m,六到三十五層均為3.7m,總層高137.4 m。設(shè)計(jì)使用年限為50年,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,特征周期為0.4s,阻尼比為0.05,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場地類別為2類。50年一遇的基本風(fēng)壓:0.30kN/m2,100年一遇的基本風(fēng)壓為0.35kN/m2,地面粗糙度:B類,風(fēng)載體型系數(shù):1.3;基本雪壓:0.20 kN/m2。恒荷載為4.0kN/m2,活荷載為2.0 kN/m2框架梁間恒荷載為8.0kN/m2。荷載工況選為1.2恒載+1.0活載+1.0地震荷載。標(biāo)準(zhǔn)層如圖1所示。

        梁、柱用框架單元進(jìn)行模擬,板用殼單元進(jìn)行模擬,剪力墻用分層殼單元進(jìn)行模擬。

        圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

        2.2 不同加強(qiáng)層布置方案

        我國現(xiàn)行規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8](以下簡稱《高規(guī)》)帶加強(qiáng)層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定:應(yīng)合理設(shè)置加強(qiáng)層的數(shù)量、剛度和設(shè)置位置。當(dāng)布置1個(gè)加強(qiáng)層時(shí),可設(shè)置在0.6倍房屋高度附近,因此加強(qiáng)層布置在21層,其結(jié)構(gòu)形式選為斜腹桿鋼桁架形式,伸臂弦桿均采用工型鋼,上下弦桿實(shí)際尺寸為YB-H800×400×12×25,斜腹桿采用YBH700×400×10×20,工型鋼為Q345號。 伸臂桁架與核心筒剪力墻剛接,與框架柱鉸接。Y方向布置的加強(qiáng)層如圖2所示,X方向布置的加強(qiáng)層如圖3所示。

        圖2 Y方向加強(qiáng)層

        圖3 X方向加強(qiáng)層

        具體布置方案如下:

        模型1:在B軸,E軸布置;

        模型2:在C軸,D軸布置;

        模型3:在2軸,3軸布置;

        模型4:在B,C,D,E 軸同時(shí)布置;

        模型5:在B,E,2,3 軸同時(shí)布置;

        模型6:在C,D,2,3 軸同時(shí)布置;

        模型7:在B,C,D,E,2,3軸同時(shí)布置。

        3 結(jié)果分析

        3.1 振型與周期

        運(yùn)行模態(tài)分析工況,原模型前3階振型的質(zhì)量參與系數(shù)如表1所示。原模型與布置加強(qiáng)層的7個(gè)模型的前6階振型的周期如表2所示。

        表1 原模型前三階振型的質(zhì)量參與系數(shù)

        表2 各模型前6階振型周期

        由原模型的前三階的質(zhì)量參與系數(shù)可知,第一振型為Y方向平動,第二振型為X方向平動,第三振型為繞Z軸轉(zhuǎn)動。

        由以上數(shù)據(jù)對比可知:

        1)在Y方向上布置加強(qiáng)層的模型第一周期都比原模型要小,在Y方向上布置2道伸臂鋼桁架,周期比原模型減小4.3%,布置4道伸臂鋼桁架,周期比原模型減小了7.4%。在X方向上布置的伸臂鋼桁架對第一振型的周期影響不大;

        2)在X方向上布置加強(qiáng)層的模型第二振型的周期比原模型減小4.7%,在Y方向上布置的伸臂鋼桁架對第二周期影響很小,只減小了0.3%;

        3)第三振型及以后,布置的伸臂鋼桁架加強(qiáng)層對結(jié)構(gòu)的周期影響很小。

        3.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

        《高規(guī)》規(guī)定框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大層間角位移不得超過1/800,由表3可知:原模型和加強(qiáng)層布置在Y方向的模型層間角位移均不滿足規(guī)定,X方向布置加強(qiáng)層可以有效減小頂點(diǎn)位移和最大層間角位移,滿足規(guī)定要求。減小最大的是模型7,頂點(diǎn)位移比原模型降低了9.2%,比原模型的最大層間位移角降低了9.3%。

        表3 頂點(diǎn)位移及最大層間位移角

        圖4 樓層位移

        圖5 層間位移角

        由圖4、圖5可知:

        1)只布置Y方向的模型對結(jié)構(gòu)的位移影響不大,布置在X方向的模型對結(jié)構(gòu)的位移會產(chǎn)生較大的影響,頂點(diǎn)位移減小9.2%;

        2)只布置Y方向的模型對結(jié)構(gòu)層間位移角影響不大,布置在X方向的加強(qiáng)層可以明顯地減小結(jié)構(gòu)層間位移角,在21層層間位移角發(fā)生突變。

        圖6 層剛度

        3.3 結(jié)構(gòu)剛度變化

        各模型樓層剛度通過式Ki=Vi/△ui計(jì)算得出,其中Vi表示樓層剪力,△ui表示層間位移。各模型樓層剛度沿建筑高度的變化見圖6。

        由圖6可知:各樓層的剛度隨樓層的增加而減少,層高在6層發(fā)生變化,層剛度在6層出現(xiàn)突變。在水平X方向地震作用下,在Y方向布置加強(qiáng)層的模型剛度與原模型無明顯變化,在X方向布置加強(qiáng)層的模型剛度有所增加,并且在布置加強(qiáng)層的樓層出現(xiàn)了剛度突變。層高改變和布置加強(qiáng)層都會引起結(jié)構(gòu)剛度突變,故加強(qiáng)層不應(yīng)布置在層高改變處。

        3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)

        各個(gè)模型基底剪力分配情況如表4所示,基底傾覆力矩分配情況如表5所示。

        表4 模型基底剪力分配情況

        表5 模型抗傾覆彎矩的分配情況

        由此可知:布置一層加強(qiáng)層對框架柱和核心筒承擔(dān)的基底剪力和基底傾覆力矩的比值影響不大。

        4 結(jié)論

        本文主要采用數(shù)值模擬的研究方法,運(yùn)用SAP2000軟件對布置不同加強(qiáng)層的框架-雙核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和振型分解反應(yīng)譜分析,得出以下結(jié)論:

        1)布置加強(qiáng)層可以有效減少結(jié)構(gòu)位移,增大結(jié)構(gòu)剛度,但在布置加強(qiáng)層的樓層會產(chǎn)生剛度突變。結(jié)構(gòu)層高改變處也會發(fā)生剛度突變,加強(qiáng)層不應(yīng)布置在層高改變處。

        2)在地震作用的方向上布置加強(qiáng)層可以有效減少結(jié)構(gòu)位移,反之對結(jié)構(gòu)位移影響不大。在振型運(yùn)動的方向布置加強(qiáng)層可以減少該振型的周期。

        3)布置加強(qiáng)層不應(yīng)單方向布置,應(yīng)在X、Y方向同時(shí)布置,根據(jù)需要可以在布置4道加強(qiáng)層的方向?qū)⑵錅p少為2道,但應(yīng)對稱布置。

        4)布置一層加強(qiáng)層對框架柱和核心筒承擔(dān)的基底剪力和基底傾覆力矩的比值影響不大。

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