超高層裝配混合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性范文

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《空間結(jié)構(gòu)雜志》2014年第二期

1筒體結(jié)構(gòu)中的剪力滯后效應(yīng)

高層筒體結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化成為一端固定的箱型懸臂構(gòu)件．在受到水平荷載時(shí)，腹板和翼緣的正應(yīng)力根據(jù)平截面假定應(yīng)該呈現(xiàn)線性分布，如圖7中的虛線所示．而在實(shí)際情況中，腹板和翼緣的正應(yīng)力呈現(xiàn)出兩邊大中間小的現(xiàn)象，應(yīng)力在角柱處集中，如圖7中的實(shí)線所示，這并不滿足初等梁純彎曲理論中的平截面假定．這種正應(yīng)力不均勻分布的現(xiàn)象，稱為剪力滯后．剪力滯后效應(yīng)使筒體作為空間結(jié)構(gòu)的受力特性遭到削弱，一些柱的承載能力沒(méi)有得到充分發(fā)揮，降低了筒體抵抗水平力的能力．剪力滯后引起柱應(yīng)力不均勻分布，在材料還處于線彈性的情況下，柱的應(yīng)力分布形態(tài)與位移分布形態(tài)相同，這還會(huì)引起樓板的翹曲．已有研究認(rèn)為剪力滯后產(chǎn)生的原因是：翼緣（主要是裙梁）的剪切變形引起角柱軸力加大，增大柱與柱之間聯(lián)系的裙梁抗剪剛度，剪力滯后現(xiàn)象隨之減少．文獻(xiàn)詳細(xì)解釋了這一過(guò)程：翼緣框架各柱和窗裙梁的內(nèi)力由角柱傳來(lái)；角柱受拉，使與它相連的裙梁承受剪力，同時(shí)又使與裙梁相連的第二根柱受拉；剪力就以這種方式傳遞．這種傳遞造成中柱的軸力減小，角柱軸力增大．為了定量分析剪力滯后的程度，我們重新定義柱的剪力滯后系數(shù)λ（適用于平面形狀為矩形的筒體）如下式中，σ表示柱的實(shí)際正應(yīng)力，σ′表示受拉翼緣柱的平均正應(yīng)力，ΔL表示柱中心到中性軸的距離，L表示柱對(duì)應(yīng)的角柱中心到中性軸的距離，如圖8所示．從剪力滯后系數(shù)的定義不難看出，當(dāng)λ＞0且越大時(shí)，應(yīng)力集中于此柱，剪力滯后效應(yīng)越嚴(yán)重；當(dāng)λ＜0且越小時(shí)，柱承載能力沒(méi)有得到充分發(fā)揮；λ越接近于0則越符合理想的平截面假定，剪力滯后效應(yīng)越弱．

2新結(jié)構(gòu)體系中的剪力滯后效應(yīng)分析

2.1新結(jié)構(gòu)體系的分析方法與模型建立研究高層筒體結(jié)構(gòu)剪力滯后的方法主要分為連續(xù)化方法和離散化方法兩種．連續(xù)化方法是把帶有規(guī)則開(kāi)洞的筒體經(jīng)壓彎與剪切等效化為連續(xù)的板來(lái)進(jìn)行分析，假定位移函數(shù)分布，利用應(yīng)變能變分原理來(lái)建立位移的控制方程，從而得到結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力解．但連續(xù)化方法中不同位移函數(shù)的假定對(duì)分析結(jié)果影響較大．離散化分析方法主要是有限單元法，這種方法較為靈活，適用范圍廣，但未知數(shù)量多，求解規(guī)模龐大．本節(jié)采用有限元分析軟件對(duì)擬建模型進(jìn)行分析．本節(jié)分析的擬建工程模型采用新型空間鋼網(wǎng)格“筒中筒”盒式結(jié)構(gòu)，共50層，標(biāo)準(zhǔn)層高3．6m，總高度180m，標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見(jiàn)圖9．樓蓋總厚度為680mm，其中鋼筋混凝土板厚為80mm，鋼空腹夾層板厚度為600mm．空腹夾層板上、下肋采用T形鋼，高度均為150mm，空腹夾層板中空為300mm，剪力鍵采用方鋼管．外筒柱均采用型鋼混凝土柱，角柱尺寸為600mm×600mm，邊柱尺寸為550mm×400mm．核心筒厚度為700mm．為研究水平力作用下模型的剪力滯后效應(yīng)和不同因素對(duì)剪力滯后效應(yīng)的影響，對(duì)模型做以下假設(shè)：（1）結(jié)構(gòu)僅受水平荷載作用，不考慮豎向荷載（包括自重荷載）；（2）所有樓層均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)層．水平風(fēng)荷載按規(guī)范，基本風(fēng)壓50年一遇為0．4kN／m2，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第7．1．2條和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4．2．2條要求，基本風(fēng)壓取1．1×0．4＝0．45kN／m2．地面粗糙度按B類，體型系數(shù)取1．3．由于平面布置具有兩個(gè)對(duì)稱軸，可以取四分之一的模型進(jìn)行分析，對(duì)四分之一外筒柱進(jìn)行編號(hào)，見(jiàn)圖10．

2.2新結(jié)構(gòu)體系中的剪力滯后現(xiàn)象根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型四分之一平面繪制出的外筒剪力滯后系數(shù)分布見(jiàn)圖11．很明顯，角柱的剪力滯后系數(shù)在底層最大，向上呈遞減趨勢(shì)．由33層開(kāi)始角柱剪力滯后系數(shù)小于0，表明33層以上的樓層呈現(xiàn)出負(fù)剪力滯后現(xiàn)象．腹板側(cè)柱的剪力滯后系數(shù)除頂層外均為負(fù)數(shù)，說(shuō)明其承載力沒(méi)有充分發(fā)揮．腹板柱抵抗水平力引起的彎矩上所起作用本身并沒(méi)有翼緣柱大，腹板中柱附近的柱子接近中性層，它們的剪力滯后系數(shù)不具備研究?jī)r(jià)值，而靠近角柱的腹板柱的剪力滯后系數(shù)樓層越高越接近于0，表明層數(shù)越高，腹板的正剪力滯后效應(yīng)越弱．圖11中翼緣側(cè)的剪力滯后系數(shù)分布與以往的研究結(jié)果有些差異，主要是中柱附近的翼緣柱也產(chǎn)生了和角柱一樣的應(yīng)力集中現(xiàn)象．16號(hào)到19號(hào)柱在所有樓層的剪力滯后系數(shù)均大于1．從平面布置圖上來(lái)看，從15號(hào)柱開(kāi)始要與核心筒相連接，增大了其抗側(cè)剛度，導(dǎo)致了正應(yīng)力的增大．以往對(duì)剪力滯后效應(yīng)的研究大都針對(duì)框筒結(jié)構(gòu)，沒(méi)有考慮到與核心實(shí)腹筒體連接對(duì)抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)，結(jié)論顯然不能適用于筒中筒結(jié)構(gòu)．從數(shù)值上看，底層角柱剪力滯后系數(shù)最大也僅為0．135，頂層中柱在前文所提的抗側(cè)剛度增加和負(fù)剪力滯后效應(yīng)的疊加作用下，剪力滯后系數(shù)最大為0．173，剪力滯后效應(yīng)引起應(yīng)力增量相對(duì)理論值都沒(méi)有超過(guò)20％．可見(jiàn)新結(jié)構(gòu)體系的剪力滯后效應(yīng)相對(duì)較弱．雖然頂層中柱的負(fù)剪力滯后效應(yīng)比較嚴(yán)重，剪力滯后系數(shù)數(shù)值很大，但是頂層的傾覆力矩很小，負(fù)剪力滯后效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不是很大．以下分析中，主要考慮底層的正剪力滯后效應(yīng)．

2.3與常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的對(duì)比分析在相同的設(shè)計(jì)條件下建立常規(guī)的筒中筒結(jié)構(gòu)模型，平面布置如圖12所示．四分之一模型的外筒柱編號(hào)見(jiàn)圖13．常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)體系的區(qū)別主要有以下三點(diǎn)：（1）常規(guī)結(jié)構(gòu)柱距略大于新結(jié)構(gòu)；（2）常規(guī)結(jié)構(gòu)樓蓋為井字形鋼梁而新結(jié)構(gòu)樓蓋為協(xié)同式空腹夾層板；（3）常規(guī)結(jié)構(gòu)不設(shè)墻架．加載相同的水平風(fēng)荷載后，正剪力滯后效應(yīng)最嚴(yán)重的底層剪力滯后系數(shù)分布圖如圖14．從圖14可以看出，常規(guī)結(jié)構(gòu)角柱的正應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，剪力滯后效應(yīng)引起的軸力增量達(dá)到了39．3％，是新結(jié)構(gòu)形式的三倍．常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)翼緣側(cè)的剪力滯后曲線十分陡峭，而新結(jié)構(gòu)形式翼緣側(cè)的曲線相對(duì)平緩．這表明新結(jié)構(gòu)體系翼緣柱的受力較為勻，空間整體性更強(qiáng)．圖15為常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)體系角柱剪力滯后系數(shù)沿樓層分布的對(duì)比曲線圖，從圖中可以看到，常規(guī)結(jié)構(gòu)角柱的正剪力滯后效應(yīng)沿豎向分布均大于新結(jié)構(gòu)形式，常規(guī)結(jié)構(gòu)形式從47層起，正剪力滯后效應(yīng)才消失，幾乎所有樓層角柱都存在正應(yīng)力集中的現(xiàn)象．從剪力滯后系數(shù)的橫向分布和沿樓層的縱向分布來(lái)看，新結(jié)構(gòu)體系的剪力滯后效應(yīng)遠(yuǎn)小于常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)．整體抗側(cè)剛度的均勻分配使新結(jié)構(gòu)體系的空間整體性更佳．

2.4墻架對(duì)剪力滯后效應(yīng)的影響新結(jié)構(gòu)形式的外筒壁用三道橫梁構(gòu)成了墻架，墻架提高了外筒的抗剪剛度和抗側(cè)能力，但墻架對(duì)剪力滯后效應(yīng)的影響并非完全是正面的．圖16為標(biāo)準(zhǔn)模型、去除橫梁模型和橫梁截面加大三種模型下底層外筒柱的剪力滯后系數(shù)分布圖．圖16中角柱的剪力滯后系數(shù)隨著橫梁尺寸的增大而增大，這是由于角柱跟腹板側(cè)橫梁的連接，使抗側(cè)剛度增大，墻架尺寸越大，剛度增加多，角柱的剪力滯后效應(yīng)越顯著．但是翼緣中柱的剪力滯后系數(shù)隨著墻架尺寸的加大而減小，這使得在設(shè)計(jì)時(shí)必須把握好墻架橫梁與柱的剛度比，剛度比過(guò)大，應(yīng)力集中于角柱，剛度比過(guò)小，應(yīng)力集中于翼緣中柱，兩種情況都是相當(dāng)不利的．

2.5角柱尺寸對(duì)剪力滯后效應(yīng)的影響角柱的作用在于提供了腹板框架和翼緣框架之間的聯(lián)系，使結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)空間受力，中柱的主要作用是提供巨大的抵抗矩來(lái)承擔(dān)外傾覆力矩．圖17是不同尺寸底層角柱的剪力滯后系數(shù)分布圖。從圖17可知，角柱尺寸的改變對(duì)腹板柱的影響很小，角柱尺寸的增加并沒(méi)有使角柱本身的剪力滯后系數(shù)增加，反而下降，但是中柱的剪力滯后系數(shù)上升．這個(gè)結(jié)論與以往的研究有所不同，產(chǎn)生不同的原因是以往的研究中以軸力作為剪力滯后效應(yīng)的研究特征值，角柱面積增大導(dǎo)致軸力增大是必然的，但是應(yīng)力實(shí)際上是有所減小．在新結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該重視角柱在結(jié)構(gòu)中所起的重要作用，既要承擔(dān)兩個(gè)方向的水平荷載，還在抗扭轉(zhuǎn)中起重要作用，所以角柱的尺寸不宜過(guò)小，且應(yīng)該適量增加配筋．角柱的大小在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，盡量平衡角柱和中柱的剪力滯后情況．如果角柱過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致翼緣中柱的應(yīng)力集中．

3結(jié)論

（1）新結(jié)構(gòu)體系的正剪力滯后現(xiàn)象底層最為嚴(yán)重，由剪力滯后引起的底層柱的應(yīng)力增量小于20％，剪力滯后效應(yīng)相對(duì)較弱，結(jié)構(gòu)的三分之二高度以上開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)剪力滯后效應(yīng)，但負(fù)剪力效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮．（2）與常規(guī)的筒中筒結(jié)構(gòu)相比，新結(jié)構(gòu)體系的剪力滯后效應(yīng)更弱．底層角柱的應(yīng)力增量?jī)H為常規(guī)結(jié)構(gòu)的三分之一，角柱正剪力滯后效應(yīng)在所有樓層均小于常規(guī)結(jié)構(gòu)．（3）網(wǎng)格式墻架橫梁剛度越大，應(yīng)力越集中于角柱；剛度越小，應(yīng)力越集中于翼緣中柱．（4）角柱剛度越大，應(yīng)力越集中于翼緣中柱；角柱剛度越小，應(yīng)力越集中于角柱．設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使抗側(cè)剛度沿水平均勻分配，平衡角柱和中柱的剪力滯后情況．（5）新型超高層裝配整體鋼網(wǎng)格盒式“筒中筒”混合結(jié)構(gòu)外筒的抗側(cè)剛度和抗剪剛度大于常規(guī)結(jié)構(gòu)，正剪力滯后效應(yīng)較弱，結(jié)構(gòu)整體受力均勻．樓蓋的空腹部分可以布置管線，有效降低了結(jié)構(gòu)層高，在總高度相同的情況下，可以布置更多樓層，更具經(jīng)濟(jì)性．

作者：余德冕馬克儉張華剛單位：貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心