新型高層裝配式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與抗震性能分析

肖同，馬克儉，盧亞琴，吳鵬程

(1. 貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，由于土地資源的嚴(yán)格控制，高層建筑已經(jīng)成為未來(lái)建筑領(lǐng)域的趨勢(shì)。為了最大限度節(jié)約國(guó)家土地資源，尋求一種既安全又經(jīng)濟(jì)的高層結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)成為空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從上個(gè)世紀(jì)八九十年代開始，國(guó)內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)常規(guī)框剪和框筒結(jié)構(gòu)做了大量研究，但都未能提出新的結(jié)構(gòu)體系。貴州大學(xué)馬克儉院士結(jié)合多年來(lái)理論研究與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)外首次提出了高層及超高層裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)[1]，該新體系能有效地克服常規(guī)高層框剪和框筒結(jié)構(gòu)的一些不足，有望獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。分析該新型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與抗震性能，為其在實(shí)際工程的應(yīng)用提供依據(jù)，具有重要的理論和工程意義。

所謂空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)，是指采用鋼空腹夾層板和鋼網(wǎng)格式墻架這2種基本組成單元圍合而成的類似于盒子的建筑空間結(jié)構(gòu)，其成型原理如圖1所示[2]。鋼網(wǎng)格式墻架圍合成鋼網(wǎng)格筒，鋼空腹夾層板為樓蓋，鋼網(wǎng)格筒既承擔(dān)樓蓋傳遞的豎向荷載，又提供結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。與普通框架結(jié)構(gòu)相比，鋼網(wǎng)格筒的立柱和橫梁的間距均較小，立柱和橫梁互為支撐，因此鋼網(wǎng)格筒的內(nèi)力分布較為均勻，剛度更合理，內(nèi)力峰值得到明顯下降[3]。

圖1 盒式結(jié)構(gòu)的成型原理

應(yīng)用到建筑工程中時(shí)，鋼空腹夾層板網(wǎng)格分為正交正放和正交斜放。鋼網(wǎng)格筒樓層梁的型式確定與鋼空腹夾層板網(wǎng)格尺寸及布置有關(guān)，當(dāng)鋼空腹夾層板的網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)格墻的柱間距一致時(shí)，樓蓋荷載可直接傳遞至柱上，此時(shí)樓層梁宜用實(shí)腹梁，否則樓層梁可采用空腹梁。且其型鋼截面形式宜與鋼空腹夾層板的上下肋型鋼截面形式相同，以便與鋼空腹夾層板連接并傳遞荷載。四面鋼網(wǎng)格墻架組成的鋼網(wǎng)格筒體，類似筒體結(jié)構(gòu)，既是豎向受力構(gòu)件，也是抗側(cè)力構(gòu)件[4]。

1有限元模型與設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 有限元模型建立

混凝土筒體結(jié)構(gòu)為開洞口的全截面剪力墻，因剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大，故在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，并且剪力墻筒體與周圍網(wǎng)格墻協(xié)同工作大大提高了整體抗側(cè)剛度，另外，由于層間梁的設(shè)置顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性能[5]。運(yùn)用Midas Gen有限元設(shè)計(jì)軟件建模，盒式結(jié)構(gòu)首層有限元模型如圖2所示。

圖2 盒式結(jié)構(gòu)首層有限元模型

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，作出如下基本假定：(1)鋼材與混凝土為理想彈性材料，粘結(jié)牢固。(2)樓板具有平面內(nèi)無(wú)限剛度。(3)樓層之間結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接牢固，無(wú)滑移。(4)結(jié)構(gòu)底部為剛性連接(固接)[6]。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與工程概況

結(jié)構(gòu)平面尺寸為35 m×21m，層高為4.5 m，其中空腹夾層板高度為0.7 m，在樓層柱的三等分點(diǎn)各設(shè)置一道層間梁將豎向分成三格，上(下)肋(T型)、剪力鍵(方形)、層間梁和框架柱(H型)、角柱(方形)均為Q345鋼材構(gòu)件，混凝土表層薄板與剪力墻為C30混凝土材料，各構(gòu)件截面尺寸如表1所示。

表1 盒式結(jié)構(gòu)截面尺寸和參數(shù)

擬建工程位于湖南省岳陽(yáng)市，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震加速度為0.1 g，地震分組第一組，場(chǎng)地類別為2類，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，特征周期Tg為0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，周期折減系數(shù)為0.8，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用。樓面恒荷載取4 kN/m2，樓面活荷載取3 kN/m2，屋面恒荷載取5 kN/m2，屋面活荷載為不上人屋面取0.5 kN/m2。

2盒式結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

2.1 自振特性分析

盒式結(jié)構(gòu)前6階振型如圖3所示。由圖3可知，第一階振型為Y向平動(dòng)為主，第二階振型為X向平動(dòng)為主，第三階振型為扭轉(zhuǎn)為主，振型特點(diǎn)詳見表2所示。結(jié)構(gòu)周期比為1.542 5/3.310 3=0.466，高規(guī)規(guī)定第一扭轉(zhuǎn)為主與第一平動(dòng)為主的周期比應(yīng)小于0.9，盒式結(jié)構(gòu)顯然滿足規(guī)范要求，說(shuō)明盒式結(jié)構(gòu)抗扭剛度比較好。第一階與第二階周期比為2.942 2/3.310 3=0.889，盒式結(jié)構(gòu)X、Y向抗側(cè)剛度比較接近，再次表明結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好。

圖3 新型結(jié)構(gòu)前6階振型

表2 自振周期與振型表

2.2 樓層位移分析

盒式結(jié)構(gòu)在X、Y雙向地震作用下，樓層位移隨樓層變化關(guān)系如圖4所示?！陡咭?guī)》第3.7.3條規(guī)定，高度不大于150 m時(shí)，樓層最大位移與層高的比值不宜大于1/1 000，本工程主屋面高度為90.7 m小于150 m，由圖4可知，X、Y雙向地震作用下樓層最大位移分別為頂層59.1mm和66.5 mm。故樓層最大位移與層高的比值為59.1/90 700=0.652/1 000和66.5/90 700=0.733/1 000，顯然均滿足規(guī)范要求?！陡咭?guī)》第3.4.5條要求結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下，樓層的最大水平位移和層間位移不宜大于該層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該層平均值的1.4倍[7]。X向地震作用下樓層最大位移與平均位移的比值最大在第1層，為1.5/1.2=1.25，Y向地震作用下樓層最大位移與平均位移的比值最大在第1層，為0.5/0.5=1，滿足高規(guī)要求。以上分析表明，盒式結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度比較合理，而且剪力墻核心筒與鋼網(wǎng)格墻協(xié)同工作使得整體結(jié)構(gòu)變形更加均勻協(xié)調(diào)。

圖4 樓層位移計(jì)算結(jié)果

2.3 樓層位移角分析

盒式結(jié)構(gòu)在X、Y雙向地震作用下，最大層間位移角及位移角比如表3所示?！陡咭?guī)》第3.7.3條規(guī)定，高度不大于150 m時(shí)，樓層最大位移與層高的比值不宜大于1/1 000[8]。盒式結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下的最大位移角均小于該限值，滿足規(guī)范的要求。考慮偶然偏心的影響，盒式結(jié)構(gòu)最大層間位移角出現(xiàn)位置比較相近，表明了該結(jié)構(gòu)在X、Y向抗側(cè)剛度沿豎向相近，質(zhì)量與剛度整體分布均勻，結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好。

表3 樓層位移角計(jì)算結(jié)果

3盒式結(jié)構(gòu)與常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)分析對(duì)比

為了研究盒式結(jié)構(gòu)與常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能區(qū)別[9]，建立常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)跨度和高度與盒式結(jié)構(gòu)相同，工程概況也一致。主次梁均為Q345鋼材構(gòu)件，混凝土樓板與剪力墻為C30混凝土材料，各構(gòu)件截面尺寸如表4所示。常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)首層有限元模型如圖5所示。

圖5 常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)首層有限元模型

表4 常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)截面尺寸和參數(shù)

3.1 周期對(duì)比

對(duì)常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到前3階模態(tài)結(jié)果并與盒式結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。由表5可知，2種結(jié)構(gòu)周期比的比值為0.466/0.482=0.967，說(shuō)明2種結(jié)構(gòu)抗扭剛度比較接近，并且都滿足《高規(guī)》規(guī)定的第一扭轉(zhuǎn)為主與第一平動(dòng)為主的周期比應(yīng)小于0.9的規(guī)范要求。

表5 2種結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)比

3.2 樓層位移對(duì)比

2種結(jié)構(gòu)在X、Y雙向地震作用下，樓層位移隨樓層變化關(guān)系如圖6所示。X向地震作用下，2種結(jié)構(gòu)樓層最大位移均發(fā)生在頂層，分別為59.1 mm和72.2 mm，相差13.1 mm，而且盒式結(jié)構(gòu)的樓層位移均小于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)；Y向地震作用下，2種結(jié)構(gòu)樓層最大位移同樣均發(fā)生在頂層，分別為66.5 mm和73.6 mm，相差7.1 mm，而且盒式結(jié)構(gòu)的樓層位移也均小于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)。由此得到相較于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)，盒式結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度更大，質(zhì)量和剛度分布更加均勻。

圖6 樓層位移對(duì)比結(jié)果

3.3 樓層剪力對(duì)比

2種結(jié)構(gòu)在X、Y雙向地震作用下，樓層剪力[10]隨樓層變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 樓層剪力對(duì)比結(jié)果

在X向地震作用下，盒式結(jié)構(gòu)多遇地震下的基底最大剪力為2 377.6 kN，常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)基底最大剪力為3 385.7 kN，盒式結(jié)構(gòu)層間剪力均小于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)；Y向地震作用下，盒式結(jié)構(gòu)多遇地震下的基底最大剪力為2 081.2 kN，常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)基底最大剪力為2 973.5 kN，同樣的，盒式結(jié)構(gòu)層間剪力也均小于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)。表明盒式結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度明顯優(yōu)于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)，這是由于盒式結(jié)構(gòu)的立柱和橫梁的間距均較小，立柱和橫梁互為支撐，因此盒式結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更均勻，剛度更合理，內(nèi)力峰值得到明顯下降。

3.4 樓層彎矩對(duì)比

2種結(jié)構(gòu)在X、Y雙向地震作用下[11]，樓層彎矩隨樓層變化關(guān)系如圖8所示。在X向地震作用下，盒式結(jié)構(gòu)多遇地震下的基底最大彎矩為54 708.9 kN·m，常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)基底最大彎矩為62 513.6 kN·m，盒式結(jié)構(gòu)層彎矩均小于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)；Y向地震作用下，盒式結(jié)構(gòu)多遇地震下基底最大彎矩為50 751.2 kN·m，常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)基底最大彎矩為57 848.5 kN·m，前者層彎矩均小于后者。表明了盒式結(jié)構(gòu)的抗彎剛度要優(yōu)于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)，一方面是因?yàn)槌Ｒ?guī)框筒結(jié)構(gòu)自重比盒式結(jié)構(gòu)大，另一方面是由于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)需要通過(guò)增大構(gòu)件截面尺寸從而增大抗側(cè)剛度，這又進(jìn)一步增大了框架柱分擔(dān)的地震作用。

圖8 樓層彎矩對(duì)比結(jié)果

4技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

該工程總建筑面積為16 709 m2，兩種結(jié)構(gòu)建筑材料用量如表6所示。盒式結(jié)構(gòu)與常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)型鋼用量相差94.4 t，鋼筋混凝土用量相差432.8 m3，最終折算得到盒式結(jié)構(gòu)用鋼量比常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)用鋼量可降低19.8%。另外，在同等樓層凈高要求下，由于盒式結(jié)構(gòu)采用了協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋，可有效降低樓層高度。在總高度不變的情況下，可增加數(shù)層建筑使用面積。樓蓋空腹內(nèi)部可穿插水電空調(diào)管線，結(jié)構(gòu)構(gòu)件小型化和裝配式使得施工速度明顯加快。綜合以上分析，盒式結(jié)構(gòu)在高層和超高層中的運(yùn)用可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 建筑材料用量對(duì)比

5結(jié)論

(1)剪力墻核心筒雖然在周邊，但盒式結(jié)構(gòu)周期比明顯小于規(guī)范規(guī)定值，表明盒式結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好。

(2)盒式結(jié)構(gòu)在X、Y雙向多遇地震作用下，剪力墻核心筒與鋼網(wǎng)格墻協(xié)同工作，而且層間梁設(shè)置使得整體結(jié)構(gòu)變形更加均勻協(xié)調(diào)，最大樓層位移和層間位移角均滿足規(guī)范要求，表明盒式結(jié)構(gòu)沿豎向質(zhì)量與剛度整體分布均勻，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較好。

(3)多遇地震作用下，在滿足規(guī)范要求前提下，盒式結(jié)構(gòu)的周期比、樓層位移也比常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)較小，表明盒式結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度要優(yōu)于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)。

(4)通過(guò)對(duì)比盒式結(jié)構(gòu)與常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)的抗震性能可以發(fā)現(xiàn)，盒式結(jié)構(gòu)的樓層剪力及彎矩均比常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)較小，表明盒式結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)。一方面是因?yàn)槌Ｒ?guī)框筒結(jié)構(gòu)自重比盒式結(jié)構(gòu)大，另一方面是由于常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)需要通過(guò)增大構(gòu)件截面尺寸從而增大抗側(cè)剛度，這又進(jìn)一步增大了框架柱分擔(dān)的地震作用。

(5)相同建筑面積下，盒式結(jié)構(gòu)用鋼量比常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)用鋼量可降低19.8%。另外，在同等樓層凈高要求下，由于盒式結(jié)構(gòu)采用了協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋，可有效降低樓層高度，樓蓋空腹內(nèi)部可穿插水電空調(diào)管線，結(jié)構(gòu)構(gòu)件小型化和裝配式使得施工速度明顯加快。