西北某商务中心高层钢结构设计与分析

1、木文由201086q贡献pdf文档可能在wap端浏览体验不佳。建议您优先选择txt,或下载源文件到木机杳看。 笫十八届全国离层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年西北某商务屮心高层钢结构设计与分析 魏捷张文华廖耘（髓s广卅審柏生建筑工程设计事务所广娴510170）【提要】本文介绍了西北某高层商务中心的钢结构设计。针対该结构的诸多不利抗震条件，详细介绍了 rbs事务所的设计思路和解决方案，并看重分析了采用屮心支撑和屮心支撐不连续对该结构抗震性能的影响.关键词】方钢管混凝土柱，屮心支撐，钢一稔纽合 结构，抗侧力构件不连续abrstraet：the paperint roduces thestee

2、l structure des i g n oview o f the poorthisi c designahigh-rise b u i 1 d i n g i n china w c s t . i n intro duces theirb u i 1 d i n g, rbs associatescons iderat ion and resolving idea.especia 1 1 y , a n a 1 y s e the influence t o seismic resist a n c c caused b ycentrebrae 燃 and the discontinu

3、ation o f t h e s e bra c e s .keywordsconcrete filled rectangular s t e e 1 tube column, cent re brace, steelconcret e combination structure, the discontinuatio n ofhorizontal force enduremembers1. 前言木文所介绍的工程由于场地形状的原因，建筑平面呈不规则的“l”型，同时建筑使用 功能为上公寓下酒店，采用了两套完全独立的竖向交通系统（图1 . 1 ）。原结构设计方案 为钢筋混凝土剪力墙结构，若围绕竖

4、向交通设置核心筒，则结构严重偏心，难以抑制扭转: 若不设核心筒，则很难满足侧移要求，且会出现抗侧力构件的高位转换，籍种方案均须对建 筑平而作较大调整，经济指标与受力性能也都不理想。rbs事务所接手该工程的结构设讣 后，从体系抗震行为着眼，将结构形式改为方钢管混凝土柱+中心支撑结构，借助钢结构开 问较人，抗侧力构件布置灵活的特点，实现了建筑功能与结构体系的启机结合，并取得了良 好的经济效益。本工程的设计中综合了当前高层结构抗震设计中的多个难点，如高烈度区,i i i类场 地土，平而不规则，竖向不规则，抗侧力构件不连续等。rbs事务所从研究此 类魏捷，男，1 9 6 3年出牛.工学硕丄，商级工程师

5、5 4 8?第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年图1. 1建筑典型平面(阴影部分为竖向交通区)结构的受力特点，评佔抗震性能的角 度出发，对该工程作了较为详尽的分析计算和归纳总结工作，并将阶段性成果汇集于木文, 敬请各位同仁批评指正。2. 工程概况木工程位于陕西省西安市，总建筑面积约3z/ m2,地上2 5层,地下两层，建筑总高度 约9 om。一三层为商场，餐厅等开放式空问：四层至十一层为酒店：十二层为设备转换 层兼办公层;十三层至二十四层为上下复式公寓。各层层高：首层、三层5 . 1 in,=屡4. 8 m,十二层3 . 9 m,酒店3 . 3 m,公寓3 . 0 mo塔楼平

6、面尺寸为5 0 . 8 m x 2 9 . 0 m,地面以上结构主体高度为8 5 . 2 0 0 m,高宽比h / e以裙房顶计为(0 45 + 8 5 . 2 0 0. 9 . 9 ) / 2 1 = 3. 6 1 < 5 ,长宽比为 a / b= 5 0 . 8/29 = 1. 7 5 ,平面突边1 6 m> 3 7 x 03=11. 1 m,属平面不规则凹凸。场地地震基木烈 度为8度，设计基本地震加速度值为0 . 2 0 9,设计地震分组为第一组。建筑场地类別属 iii类，设计特征周期为0 . 4 3 0 s。3. 结构体系与设计思路本结构抗侧力体系为方钢管混凝土柱+方钢管混

7、凝土中心支撐,楼而为现浇混凝士楼板 + h型钢粱的组合楼盖体系。主要框架柱截面为7 0 0x700；钢管壁厚为1 8-2 6 m m；主要支撑截面为2 0 0 x 3 0 0和3 0 0 x 5 0 0,钢管壁厚分别为1 0和1 4 mm。 本工程在体型上先天不足，乂位于8度i i i类场地土上，対地震力的反应远大于风荷载。 若将结构设计得过刚，则难于布置与控制扭转，口地震反应也更大，从抗震概念设计和经济 性的角度来看都不合适。因此，我们选择了抗震延性和变形能力更强的钢构件来形成柔性抗 震体系，取弹性阶段的层间位移角限值为1/300 | 远大于钢筋混凝土剪力墙结构的 限值(1 1 1 0 0

8、0 )。笫十八届全嗣高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年巩混合结构阻尼比f = o0 5 0. 02 ji百。按此计算，木结构阻尼比为0. 0 3 5 ,与文献吋，在钢管内充填混凝土也利于管壁局部稳定，可增大板件宽厚比，提高钢材利用率。根据文献【2】中的公式，钢一婭混合结构的阻尼比取决于混凝土对侧向刚度的贡献率 【1 1规定相符，而纯钢结构的阻尼比仅为0.02。本结构方钢管内混凝土重量约为 结构总重的5 %,经对比，其对结构地震反应的不利影响远小于阻尼比提高所带来的有利影 响。同就纯框架体系而言，该结构右侧抗侧移能力人于左侧，而由予外立面的要求，无法在周 边设置支撑來提高结构抗扭r q度

9、。因此，5层以上的塔楼中y向支撑较多的布鬣于结构左 侧，以平衡抗侧力体系，减少结构偏心(图3. 1)。同时。由于使用功能的要求，x向支 撐主要布置于结构右侧，这就要求x向支掠与y向支撑尽量分离，以避免横纵支掠相连形成 偏心筒而导致结构扭转(圈3. 1 df )o对于剪力墙结构，这种布置方式会造成大fi单片墙肢，对抗震不利，钢结构则无此问题。由于使用功能的交化，使得部分抗侧力构件无 法延续至裙房，丽平移到结构外围(图3 . 1 ac )：同时，十一层的层高比相邻层高6 0 0 n强，为避免该层成为薄弱层，在该层增设了一棉支撑，并加人了支撑截面尺寸。上述原因使得结构局部抗侧力构件不连续，但 中心支

10、撑的不连续相比剪力墙的不连续，受力特点有所不同，后文将作详细分析。i 1厂 l la )12层b )2 3层e )34层d )51 2层e )1 2h1 3层图3 . 1各层支撐分布情况1 4 屋面层0?5第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年整体计算结果第一周期3 . 6 0秒（1 .第二周期3 4 1秒（o. 9第三周期3. 2 3秒（0.4 . a ) b ) c )图4 . 1结构空间整体振动图（括号内为平动系数）t、, 一_降膏 t 疆孵 i 一？ i i e 1 理 r i : 1 / 奄 r 1姗。皇，.一 t : ?二） 巨i =“” 7.： ?：,： 2/、:

11、0.7 l、/i慧,°i ii 8/ , ' ?司t 1 一'a ) x向b ) y向a ) x向b ） y向图4. 2结构层位移曲线图图4. 3结构层间位移曲线a）结构第一扭转周期与笫一平动周期z比为3 . 2 3 / 3 . 6 0 0. 8 9<0. 9 0； b ）风荷载下最人层间位移角1 / 5 6 9 （ 1 6层）<1/40 0 ,满足“高 钢规”第5 . 5. 1条；地震荷 载作用下最人层间位移角1 / 3 5 4 （ 1 7层）v 1/30 0,满足“抗规”笫5. 5. 1条；c）地震作用下，楼层竖向构件最大弹性水平位移和层 间位移分别为

12、楼层两端弹性水平位移和层间平均位移的1.09和1 . 2 4倍，满足“抗规” 第3 . 4. 3-1条对扭转不规则的限制：d）各层侧向刚度与相邻上一层侧向刚度的7 0 %,或其上相邻三层侧向刚度平均值的8 0 %的比值屮最小者为114（12层），满 足“抗规”第3 . 4 . 2条侧向刚度规则性要求。e ）结构顺风向和横风向顶点加速度最大 值为0. 10 m / s 2 <z 0. 2 0 m / s 2 ,满足“离钢规”笫5 . 5 . 1条舒适度规 定。口计算结果表明，结构周期及位移符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理， 结构体系选择恰当。5 5 1?第丁八届全国高层建筑结构学

13、术会议论文2 0 0 4 年5.抗侧力构件不连续分类分析当中心支撑在竖向不能连续时，其轴力将直接传递给框架柱和框架梁，从构件层面来看, 并不需要剪力壤结构屮的转换支承构件。这使得屮心支撐的布置较之剪力墙更为灵活，且不 会影响层高。但从宏观的角度来看，无法连续的中心支撑必定会按照“刚度最 大，路径最矩” 原则，将其所承受的水平力通过某种方式传递给其他抗侧力构件。因此从楼层剪力传递的角 度來看，依然存在转换构件，只是这种构件无需承担支撑的重力荷载。通过分析归纳发现, 中心支撐不连续大致可分为以下两类情况：5. 1支撐的隔棍和隔跨错动上层 下层，'1 t_0 4 ik）=二一-9一：. i

14、l、_t j 1 卡b）隔跨错动-. ；. t v 1 j. 一a）邻棍错动图5. 1支撑的隔枷和隔跨错动图5. 1 a是本工程支撑不连续的主要形式，由于上层 支撑不能直接的把轴力传递给邻棍或隔跨的支撑，楼板充当了转换构件的角色。如图5. 2 所示，楼板的主应力迹线由不连续的支撑端点急剧向相邻支撑端点集中，此时楼板的受力形 式接近于剪力墙。由于只是局部支撐构件不连续，加之楼板面积远较剪力墙人，对剪力的扩 散能力很强，通过璧化分析发现，楼板剪力远小于其允许承载力。因此，只要采取相应的构 造措施消除应力集中，适当增强楼板刚度和配筋，这种类型的支撑不连续并不会给结构抗侧 性能造成人的彩响。, yj。

15、一 y yy xj- 7 了万叉a ）楼板主应力迹线b）楼板剪应力云图图5 . 2邻棍支撐间的剪力传递5 . 2支撐 的邻跨错动5 5 2?第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年图5. 3是可能出现的另一种支撐不连续形式，由予某一层使用功能的改变，导致该层 支撑移动到相邻跨，下一层乂恢复到原来位置。从抗侧刚度来看，楼层的抗侧刚度并未削弱, 支撑的轴力传递也比较自接。但移动到邻跨的支撑轴力却远大于原位置支撑，原因在于该支 撑将支撑跨的柱轴力“拖曳”到了和邻柱上，此时支撑的受力形式更接近于伸愕桁架，起到 了协调竖向变形的作用，而其抗震承载力储备则大幅降低。此类支撑不连续形式对结构抗

16、震 性能有较人影响，在木工程设计屮已尽量避免。对确需移动到邻跨的支撑，则采取将其下各 层支撑都移动到邻跨的方法，以平均分配柱问轴力差。/.彳八？/ p 3 . 7 3遣。文 等 篇£ 影：1 .靠 了孽！ 越彩n；y兰蔓氢塞/ 7 7 卜6iv遗图5. 3支撑的邻跨错动与受力图6 结构耗能机制与抗震延性根据“抗规”规定，8, 9度抗震设防区的高层钢结构宜采用偏心支撑，但国外的最新 震害表明，偏心支撑在遭破坏后，山于耗能粱段变形严重，其修复工作不仅难度大，口耗费 昂贵【门。同时，相同截而条件下，偏心支撐体系的抗侧刚度仅为中心支撐的1 / 4到1 / 3,支撐斜杆不发生屈服，不能充分利用

17、构件截面，其经济性也较差。因此，木工程屮经反 复试算比较，仍决定采用小心支撑体系，并从提高支撑构件的反复拉压性能入手，保证结构 抗震延性。6 . 1方钢管混凝士支撑的循环受力性能本结构所采用的方钢管支撑，最大计算长度约为6. 5m,截面尺寸为3 0 0 x 5 0 0 x 1 4 ,不计管内混凝土贡献，按经典屈曲分析求得其欧拉临界力为1 8 9 3 7 k n，而其 截面屈服轴力为6 7 0 0 kn,远小于临界屈iw力。因而，本工程支撑均可视为短粗支撑, 不易发牛整体屈曲失稳。而在方钢管内充填混凝土，则可有效防止管壁在较大轴力下发牛局 部屈曲起皱。因而，由方钢管混凝土构成的实心截面支撐，其抵

18、抗反复荷载的能力要明显优 于ii型钢或其他类型的薄壁杆件支撑。同时.屮心支撑凭借轴向变形耗能，其耗能效率高于 依靠弯illi变形耗能的偏心支撑，文献【3 小对本结构所作的罕遇地震下弹塑性时程分析衣 明，在中心支撑多数屈服的情况下，仅有个別框架柱出现了塑性钱，支撑的保护作用显著。 同时，作为笫一道抗震防线，中心支撑的更换和维修较为方便，对建筑使用影响不大，是适 合本工程的抗侧构件形式。5 5 3?第丁八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年6. 2跨层x撑的受力性能本工程屮人量使用了跨层x支撑。如图6. 2所示，入字形支撑和跨层x形支撑在弹性 阶 段的抗侧刚度基本相同。但由图6. 2 p u s h o v e r结果可见，跨层x撐体系的极限 变形能力明显优于单一人字撑体系。对入字撑体系，当其中一肢支撑发生受压屈服，整个支 撑也就丧失了继续吸收地震力的能力：而跨层x撑则需4根支撑依次屈服后才会完成变形, 能更加充分的发挥支撑杆件的变形能力，在弹塑性阶段具有更好的抗震延性。 / / / 八图6. 1人字撑与跨层x撐图6. 2人字撵与跨层x撐的极限推覆形态（放大比例相同）7结语本工程的施工图设计