高層鋼框筒結(jié)構(gòu)靜力性能研究范文

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《鋼結(jié)構(gòu)雜志》2014年第六期

1計算模型

鋼框筒立面模型CT如圖2a所示，在CT的基礎(chǔ)上施加預(yù)應(yīng)力支撐后的跨層預(yù)應(yīng)力支撐鋼框筒的立面模型CT1如圖2b所示，預(yù)應(yīng)力支撐分布在鋼框筒結(jié)構(gòu)的4個立面，每個立面每5層布置兩對預(yù)應(yīng)力支撐，預(yù)應(yīng)力支撐直徑為80mm，布置角度為45°，彈性模量E取1．95×105MPa，初始預(yù)拉力為367．38kN。為對鋼筒框結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力支撐前后作出較精確的靜力對比分析，計算采用SAP2000有限元桿系模型。

2抗側(cè)能力對比分析

風(fēng)荷載作用下，鋼框筒最大層間位移角和頂點位移分別為1／772和125．21mm，跨層預(yù)應(yīng)力支撐鋼框筒最大層間位移角和頂點位移分別為1／914和98．7mm。CT模型和CT1模型的側(cè)移如圖3所示。由圖3可知：對鋼框筒結(jié)構(gòu)施加跨層預(yù)應(yīng)力支撐這一方法，使鋼框筒結(jié)構(gòu)的側(cè)移減小了26．9％，也即由于支撐預(yù)拉力的作用，其抗側(cè)能力明顯提高。

3剪力滯后效應(yīng)

在矩形截面鋼框筒中，將水平荷載直接作用的一榀框架及與它平行的框架稱為翼緣；其余兩榀框架稱為腹板，如圖4所示。理想鋼筒體如同一個豎在地面上的箱形截面懸臂梁，在水平荷載作用下，其截面應(yīng)力由經(jīng)典彎曲理論公式確定，計算出的外框筒軸向應(yīng)力呈直線分布，如圖5虛線所示，符合平截面假定。但由于實際鋼框筒結(jié)構(gòu)存在剪力滯后效應(yīng)，其柱軸向應(yīng)力分布如圖5實線所示呈現(xiàn)非線性，即角柱軸向應(yīng)力增大，越靠近中部軸向應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)已不滿足平截面假定。導(dǎo)致鋼框筒剪力滯后現(xiàn)象的直接原因是框筒窗裙梁的剪切變形，使得角柱的軸向變形大于翼緣各柱。剪力滯后現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)底層最為明顯，隨著層數(shù)的增加，其影響逐漸減小，因此，本文主要研究結(jié)構(gòu)底部的剪力滯后效應(yīng)。為了能簡單地對剪力滯后現(xiàn)象做出定量分析，只對翼緣框架的剪力滯后效應(yīng)進(jìn)行研究，且用角柱應(yīng)力集中系數(shù)來衡量鋼框筒的剪力滯后程度。角柱應(yīng)力集中系數(shù)定義為角柱軸向應(yīng)力與翼緣框架柱（含角柱）的平均軸向應(yīng)力的比值，角柱應(yīng)力集中系數(shù)越大，剪力滯后效應(yīng)越嚴(yán)重。分別以受拉翼緣和受壓翼緣兩側(cè)外框筒柱為研究對象，角柱應(yīng)力集中系數(shù)為受拉（受壓）翼緣角柱軸向應(yīng)力與受拉（受壓）翼緣框架柱軸向應(yīng)力平均值的比值。跨層預(yù)應(yīng)力支撐鋼框筒結(jié)構(gòu)（CT1）和鋼框筒結(jié)構(gòu)（CT）的角柱應(yīng)力集中系數(shù)隨樓層的變化如圖6所示。由圖6可知，模型CT的角柱應(yīng)力集中系數(shù)隨樓層的增高而逐漸降低，結(jié)構(gòu)底部的剪力滯后現(xiàn)象最為嚴(yán)重，由于模型CT從上往下，每層翼緣柱的軸力都不均勻，這種不均勻的不斷積累，就造成模型CT最底端的剪力滯后現(xiàn)象最為嚴(yán)重。模型頂部特別是受壓翼緣柱一側(cè)角柱應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，這是因為在結(jié)構(gòu)頂部，柱軸力較小、彎矩較大。模型CT1中1～30層的角柱應(yīng)力集中系數(shù)分布呈鋸齒狀，且隨樓層增高鋸齒狀越明顯，但其值隨樓層的增高而降低。剪力滯后現(xiàn)象最嚴(yán)重的是模型底部和預(yù)應(yīng)力支撐與角柱相交的位置。與預(yù)應(yīng)力支撐和角柱相交處的下面樓層剪力滯后效應(yīng)顯著增加，主要原因是預(yù)應(yīng)力支撐將索力傳給角柱，而中柱的軸力在該層無顯著增加，致使角柱應(yīng)力集中系數(shù)越往下越大。由于索力的作用，結(jié)構(gòu)頂部柱軸力較小，彎矩較大，30～40層的受壓和受拉兩側(cè)翼緣柱角柱應(yīng)力集中系數(shù)分布規(guī)律發(fā)生了變化，其中35～40層最為嚴(yán)重，出現(xiàn)了紊亂現(xiàn)象。由此可見，在結(jié)構(gòu)的前30層當(dāng)中，施加預(yù)應(yīng)力支撐后，局部樓層受拉翼緣柱和大部分樓層受壓翼緣柱的角柱應(yīng)力集中系數(shù)更趨近于1，其剪力滯后效應(yīng)得到明顯改善。整體來看，受壓翼緣柱剪力滯后效應(yīng)的改善程度優(yōu)于受拉翼緣柱。

4預(yù)應(yīng)力支撐參數(shù)分析

為了使帶預(yù)應(yīng)力支撐的鋼框筒結(jié)構(gòu)體系最優(yōu)化，在“恒荷載＋風(fēng)荷載＋活荷載”作用下，本文進(jìn)一步研究了預(yù)應(yīng)力支撐的初始預(yù)拉力、彈性模量、布置角度、截面直徑和布置方式等參數(shù)對跨層預(yù)應(yīng)力支撐鋼框筒結(jié)構(gòu)受力性能的影響，得出合適的參數(shù)。

4.1布索形式對結(jié)構(gòu)性能的影響在其他參數(shù)一定的情況下（不考慮索的質(zhì)量），研究不同的布索形式對結(jié)構(gòu)性能的影響。由于在實際工程中，結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的方向是隨機(jī)的，因此預(yù)應(yīng)力支撐宜布置成交叉剪刀形?？紤]到結(jié)構(gòu)的美觀和受力的對稱均勻性，布索形式如下。布索形式Ⅰ：模型CT1的布索形式；布索形式Ⅱ：在模型CT的每一立面每10層布置一對交叉預(yù)應(yīng)力支撐，該布索方式的模型為CT2；布索形式Ⅲ：在布索形式Ⅱ的基礎(chǔ)上，5～35層每10層布置一對交叉預(yù)應(yīng)力支撐，1～5層、35～40層分別布置一對倒人字形預(yù)應(yīng)力支撐和人字形預(yù)應(yīng)力支撐，該布索形式的模型為CT3，此布索形式在外觀上與布索方式Ⅰ看似相同，但索的連接節(jié)點位置不同。3種布索方式如圖7所示，計算結(jié)果見表1。從表1可以看出，其他參數(shù)一定的情況下，模型CT1的布索方式最優(yōu)。在模型CT1的布索方式下，結(jié)構(gòu)的頂層側(cè)移分別比CT2、CT3減小了13．3％、9．3％，層間位移角分別比CT2、CT3減小了12％、8．3％，角柱應(yīng)力集中系數(shù)和最大柱軸力也略小于CT2、CT3。

4.2布置角度對結(jié)構(gòu)性能的影響在其他參數(shù)相同的情況下，根據(jù)模型CT的本身特點，預(yù)應(yīng)力支撐的布置角度分別取22°、31°、39°、45°和58°，其變化對結(jié)構(gòu)性能的影響見表2．由表2可知，結(jié)構(gòu)頂層側(cè)移最小和最大的布置角度分別為31°和58°，其中布置角度為22°、39°和45°的情況下的結(jié)構(gòu)側(cè)移略大于布置角度為31°情況下的側(cè)移；層間側(cè)移最小和最大的布置角度分別為45°和58°；幾種布置方式下的最大柱軸力近似相等。考慮到布置角度越大，跨層預(yù)應(yīng)力斜支撐的數(shù)量和其與柱的節(jié)點數(shù)就越少，施工難度變小，因此，跨層預(yù)應(yīng)力斜支撐的最佳布置角度約為45°。5．3初始預(yù)拉力、截面直徑和彈性模量對結(jié)構(gòu)性能的相互影響在彈性模量E分別取1．3×105，1．95×105MPa兩種情況下，取索的直徑分別為100，80，60mm，取索的初始預(yù)拉力分別為0，100，300，500，700，900，1100kN，初始預(yù)拉力、截面直徑和彈性模量對結(jié)構(gòu)性能的影響如表3和表4所示。由表3及表4可知：1）當(dāng)索的彈性模量、截面直徑一定時，結(jié)構(gòu)的頂層位移隨著初始預(yù)拉力的增加而逐漸減小，達(dá)到某一數(shù)值時，基本上保持穩(wěn)定；最大層間位移角隨著初始預(yù)拉力的增大而先減小后增大，其轉(zhuǎn)折點處的初始預(yù)拉力數(shù)值與頂層位移開始保持穩(wěn)定時的初始預(yù)拉力數(shù)值大致相等；外框筒柱最大軸力基本相等。2）當(dāng)索的彈性模量、初始預(yù)拉力一定時，結(jié)構(gòu)的頂層位移和最大層間位移角隨著索直徑的增大而減小。3）當(dāng)索的初始預(yù)拉力、直徑一定時，索彈性模量為1．95×105MPa的結(jié)構(gòu)頂層側(cè)移、最大層間位移角小于索彈性模量為1．3×105MPa的結(jié)構(gòu)。

5結(jié)語

通過對施加跨層預(yù)應(yīng)力斜支撐前后的鋼框筒結(jié)構(gòu)的靜力分析，得出如下結(jié)論：1）對鋼框筒結(jié)構(gòu)設(shè)置跨層預(yù)應(yīng)力支撐，可顯著提高原結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，頂層側(cè)移能減小30％左右。2）對鋼框筒結(jié)構(gòu)設(shè)置跨層預(yù)應(yīng)力支撐，結(jié)構(gòu)的角柱應(yīng)力集中系數(shù)曲線分布呈鋸齒狀，改變了原結(jié)構(gòu)的角柱應(yīng)力集中系數(shù)曲線的形狀，且改善了原結(jié)構(gòu)局部的剪力滯后效應(yīng)。3）跨層預(yù)應(yīng)力支撐宜布置成交叉剪刀形，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征并考慮到經(jīng)濟(jì)性，結(jié)構(gòu)每面宜布置兩跨，且跨層預(yù)應(yīng)力支撐的布置角度宜在45°左右。4）在工程條件允許的情況下，跨層預(yù)應(yīng)力支撐宜選取較大的截面和彈性模量。

作者：張愛林趙玉龍劉學(xué)春趙亮趙海明張勁愛單位：北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院