斜交網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度影響分析

廖文翔， 何廣杰

(西南交通大學(xué)， 四川成都 610031)

網(wǎng)格筒體系是由剪力墻圍成的核心內(nèi)筒和斜交網(wǎng)格形成的外筒以及樓板連接形成筒中筒的新型結(jié)構(gòu)體系[1-3]。其中斜交網(wǎng)格外筒是由斜柱和環(huán)梁構(gòu)成的，相比傳統(tǒng)的框架外筒更具有適應(yīng)高烈度地震區(qū)的能力，優(yōu)于斜柱的拉壓剛度遠(yuǎn)大于抗彎剛度，因此斜柱不僅能夠提供較大水平抗側(cè)剛度，同時(shí)也提供了較大的抗彎剛度，在高層以及超高超限的B類建筑的建造中具有非常大的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比斜交結(jié)構(gòu)的受力性能，傳力路徑和機(jī)理等都存在著顯著的差異。外筒的斜柱將樓層的豎向重力荷載和橫向水平荷載都轉(zhuǎn)化成為了斜柱的拉壓軸力向著下層傳遞，因此斜交結(jié)構(gòu)不僅有著很強(qiáng)的空間協(xié)同工作的性能，同時(shí)斜柱之間必須要傳力可靠。斜柱的水平抗側(cè)剛度大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至有可能超過核心筒體。而且這類新型結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比在進(jìn)入彈塑性后體系的屈服機(jī)制也不同，抗震防線在連梁屈服后的第二階段內(nèi)力重分布也發(fā)生了較大的變化，因此了解此類結(jié)構(gòu)的剛度分配，分析體系的抗側(cè)剛度以及塑性發(fā)展趨勢，探討體系的抗震屈服機(jī)制是進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)的必要前提。

目前我國的斜交網(wǎng)格新型結(jié)構(gòu)體系多建造在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)并且處于抗震設(shè)防高烈度的區(qū)域，建筑結(jié)構(gòu)的安全是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。但是，目前該類新型結(jié)構(gòu)體系既沒有經(jīng)受大震的考驗(yàn)，也沒有十分豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)理論遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。因此本文在控制外部框筒用鋼量相同和內(nèi)部剪力墻不變的條件下將斜交網(wǎng)格核心筒和傳統(tǒng)框架核心筒在地震作用下的優(yōu)劣表現(xiàn)形成對比，分析新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。并且通過改變斜柱水平相交角度判斷該類參數(shù)對結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)剛度變化影響，探討這類新型體系結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下的塑性鉸發(fā)展趨勢有著重要的意義，同時(shí)這也是結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)重要的前提。

1 分析模型及方法

1.1 分析模型

本文參考實(shí)際的工程，并結(jié)合斜交網(wǎng)格核心筒的受力特征[4-6]和本文的研究目的設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)布置規(guī)則并帶有角柱的斜交網(wǎng)格核心筒結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)筒為剪力墻圍成的核心筒，混凝土強(qiáng)度等級為C60，剪力墻截面自下而上均采用500 mm的墻厚，連梁的厚度同所在樓層的剪力墻厚度，連梁高度為1 200 mm；外筒斜柱為圓鋼柱，直徑根據(jù)同直框架的用鋼量相等原則進(jìn)行換算，并且直框架核心筒圓鋼柱直徑取為1 200 mm，角柱采用1 500 mm；內(nèi)外筒之間的連系梁采用型號為600 mm×200 mm×11 mm×17 mm的工字鋼，外筒環(huán)梁采用型號為800 mm×300 mm×20 mm×40 mm的工字鋼，鋼材強(qiáng)度均采用Q345。不同模型的剪力墻內(nèi)筒的墻厚和墻肢以及布置均不變。內(nèi)外筒之間的連系梁、交叉斜柱之間以及斜柱與環(huán)梁之間均采用剛性連接，為了簡化計(jì)算樓板采用剛性樓板假定。同時(shí)由于常見高層建筑結(jié)構(gòu)體系的高寬比較大，為了更好地發(fā)揮內(nèi)外筒體之間共同工作的空間能力，因此在不同模型中均選用高寬比為6的斜交網(wǎng)格核心筒體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用3.6 m的層高，共45層，總高度為162 m，外筒體為邊長30 m的正方形外筒，內(nèi)筒為15 m的正方形內(nèi)筒。為對比斜交網(wǎng)格體系和傳統(tǒng)框架體系的抗震性能，以及不同斜交角度下對抗側(cè)剛度的影響，通過在不改變剪力墻核心筒布置、角柱以及環(huán)梁截面的基礎(chǔ)上，控制每層斜柱的用鋼量同直框架柱相等的原則進(jìn)行換算，來確定不同斜交角度的模型采用不同的斜柱截面尺寸。所有斜柱角度模型的斜柱截面經(jīng)過驗(yàn)算均滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外網(wǎng)筒的布置形式如圖1所示，除斜交角度外，其余參數(shù)均保持不變。

圖1 不同斜柱角度網(wǎng)格布置形式

1.2 分析方法

本文所用模型采用GB 50009-2010《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》設(shè)置結(jié)構(gòu)的豎向重力荷載和水平風(fēng)荷載以及地震作用。其中樓板與梁柱構(gòu)件的自重由SAP2000有限元軟件根據(jù)材料的截面設(shè)定自動進(jìn)行計(jì)算?？紤]到樓層板面的建筑做法以及外墻和隔墻的作用取樓面均布恒荷載為3.5 kN/m2，樓面活荷載按普通辦公樓設(shè)為2 kN/m2。風(fēng)荷載設(shè)定按B類地面粗糙度，體形系數(shù)取為0.5，基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04，地震作用按照GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定取8度二類場地，地震分組為二組，設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g，特征周期為0.4 s，考慮到填充墻的影響周期折減系數(shù)取0.9，模型分析方法采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行彈性分析計(jì)算，其中結(jié)構(gòu)的質(zhì)量源設(shè)定為1.0×恒載(包括自重)+0.5×活載。分析計(jì)算過程中考慮上述荷載的組合效應(yīng)，采用規(guī)范上的地震設(shè)計(jì)組合為：1.2×(恒荷載+0.5×活荷載)+1.3×地震作用+1.4×風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行統(tǒng)一的提取分析。分析程序采用SAP2000，其中剪力墻采用分層殼單元模擬，剪力墻中的約束混凝土采用程序自帶的Mander約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線本構(gòu)關(guān)系[7]，斜柱、環(huán)梁以及連系梁均采用框架單元進(jìn)行模擬，其中鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用二折線的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)力應(yīng)變曲線本構(gòu)關(guān)系。

2 分析結(jié)果對比

模型使用振型分解反應(yīng)譜的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不同模型斜柱的直徑按照用鋼量相等的原則進(jìn)行設(shè)置。在改變斜交角度后，通過有限元分析計(jì)算后得到結(jié)構(gòu)前三階自振周期如下表1所示，由表1可以看出模型的前兩階振型分別以X向和Y向平動為主，第三振型為扭轉(zhuǎn)。不同斜交角度斜交結(jié)構(gòu)體系的第一自振周期均小于傳統(tǒng)的框架剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)，并在70 °附近自振周期達(dá)到最小值，此時(shí)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度最大。這說明在高烈度地區(qū)斜交結(jié)構(gòu)有更好的適應(yīng)性和抗震能力。結(jié)構(gòu)斜交角度在35 °附近時(shí)，抗震性能表現(xiàn)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)差，這是因?yàn)殡S著斜交角度的減小，斜柱的軸向剛度在豎向的分量也在減小，因此結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度總體呈減小的趨勢導(dǎo)致結(jié)構(gòu)周期變大。除了35 °外斜交網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)都比框筒結(jié)構(gòu)優(yōu)異。并且斜交網(wǎng)筒體結(jié)構(gòu)均有著更好的抗扭剛度，隨著斜交角度的增大，在55.2 °附近，第三自振周期達(dá)到最小，此時(shí)斜交結(jié)構(gòu)的抗扭剛度達(dá)到最大。

由圖2可以看出頂層位移和最大層間位移角在斜交角為70.8 °附近時(shí)達(dá)到最小值。這說明高寬比大于6.0時(shí)，帶有角柱的斜交結(jié)構(gòu)在70.8 °附近時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。此時(shí)抗側(cè)剛度最大，結(jié)構(gòu)在相同地震作用下頂點(diǎn)位移最小，同時(shí)最大層間位移角也為最小。并且當(dāng)斜交角度大于55 °時(shí)，斜交結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度均優(yōu)于傳統(tǒng)框架剪力墻核心筒。當(dāng)在35 °附近時(shí)，斜交結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和最大層間位移角均大于傳統(tǒng)框架剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)，此時(shí)斜交外筒結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去了應(yīng)有的抗側(cè)優(yōu)勢。

表1 結(jié)構(gòu)前三階自振周期 s

(a)頂層位移

(b)最大層間位移角圖2 不同斜交角度頂層位移及最大層間位移角

3 結(jié)論

(1)在用鋼量相同的前提下，斜交角度大于55 °的斜交結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大于傳統(tǒng)的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，所有的斜交網(wǎng)格核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)都要比框架核心筒結(jié)構(gòu)優(yōu)異。這意味著在頻遇地震作用下，斜交結(jié)構(gòu)的變形要小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，斜交結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能和抵抗結(jié)構(gòu)變形的能力。剪力墻核心筒仍然是在彈性階段抵抗地震力的關(guān)鍵構(gòu)件，當(dāng)處于35～55 °之間時(shí)，抗側(cè)剛度小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這說明斜柱扭曲的程度越大，抗側(cè)剛度降低的越加明顯。

(2)分析結(jié)果表明對于45層帶有角柱的斜交網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)，斜交最優(yōu)角度在70 °附近，此時(shí)斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)彈性階段的抗震性能最好，并且最大層間位移角和最大頂層位移均為達(dá)到最小。并且當(dāng)在55.2 °附近時(shí)，結(jié)構(gòu)的第三周期最短，此時(shí)斜交結(jié)構(gòu)的抗扭剛度最大。

(3)斜交結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗側(cè)剛度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的框架核心筒體結(jié)構(gòu)，這有利于改善不規(guī)則結(jié)構(gòu)的位移比，同時(shí)在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)該主要考慮斜交結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)由強(qiáng)度控制而不是變形控制。斜交結(jié)構(gòu)在提高抗側(cè)剛度的同時(shí)，其在塑性階段的延性也相應(yīng)的降低，因此斜交結(jié)構(gòu)在塑性階段應(yīng)該以改善結(jié)構(gòu)的變形能力為主。