超高层建筑加强层与斜撑的组合效能研究

1、2010年第2期总第140期福 建 建 筑Fujian A rchitecture &Co nstr uctionN o2 2010V ol 140超高层建筑加强层与斜撑的组合效能研究郑济坤 王全凤(华侨大学土木工程学院 362021摘 要:现代高层及超高层建筑中,加强层与斜撑的组合使用日渐普遍。本文建立了四个空间模型,通过对它们地震反应的对比分析,总结出了斜撑与加强层组合使用时结构位移和内力的变化规律,评价了斜撑和加强层的组合效能,为工程设计人员提供参考并提出若干设计建议。关键词:高层建筑 斜撑 加强层 组合效能中图分类号:T U 972+.3 文献标识码:A 文章编号:1004-6

2、135(201002-0043-03Combined Efficiency of Brace and Strengthened Story in High -Rise BuildingZheng Jikun Wang Q uanfeng(Co llege of Civ il Eng ineering ,H uaqiao U niv ersity 362021Abstract:No wadays str eng thened sto ry and brace are used t ogether in hig h-r ise building more and mo re popular F o

3、ur dimensio na l models are builded and their r esponses in ea rthquake a re ana lyzed t hr ough contr ast V ariat ions of displacement and internal force ar e summar ized and combined efficiency of brace and streng thened stor y is ev aluated Finally the paper prov ide r efer ences and so me adv ic

4、es to desig nersKeywords:H ig h-r ise building Brace Strengthened sto ry Combined eff iciency 作者简介:郑济坤,男,1986年3月出生,硕士研究生,专业领域:地震工程与工程抗震。 收稿日期:2009-12-23课题基金:高等学校博士点学科点专项科研基金(NO.2008038500011 引言随着高层建筑高度的不断提升,框架-核心筒体系的运用越来越普遍。伴随着此类结构的发展,加强层的作用也越来越突显出来。所谓加强层,指的是为了增强外围结构与核心结构之间的联系,增大结构整体刚度和减小结构的侧向位移,沿房屋

5、高度方向的某一层或几层设置的刚度较大的楼层1。另一种提高结构侧向刚度的方式是在外围增加巨型斜撑,通过沿着房屋高度上分布的斜支撑来有效控制结构的侧向位移。目前,国内外新建设的各个高层建筑中,超高层,特别是超B 类高层不断出现。在这些超高层建筑中,为了控制结构侧向位移和关键构件的内力值,各种体系和加强措施综合运用的情形比比皆是。例如,上海环球金融中心主体结构由核心筒结构、巨型柱和巨型斜撑、带状桁架、伸臂桁架、转换层桁架等诸多加强体系组成。本文基于各种加强措施综合使用越来越普遍的现状,分析了加强层和斜撑组合使用之后的结构效率与综合效率,作为工程设计人员的参考。2 模型建立本文所有模型均由三维建筑结构

6、分析与设计系统Et abs9 2 0进行建模和分析计算3。模型采用钢框架-核心筒体系,这种体系运用普遍,也以利于加强层和斜撑的施加。首层层高4 5m,其余均为3 5m,建筑共50层,总高度176m 。按 高规!11 1 2,为总高度超限高层。经过反复分析计算,适量的超限能使加强层和斜撑的组合效果更为突出,易于对比和探究模型的组合效能的变化情况。按 高规!2中规定,该建筑为B 类高层。按 高规!11 1 4,该建筑弹性层间位移角限值为1/692。钢框架角柱采用箱型截面1000100075,中柱采用75075065。核心筒为500mm 厚C60混凝土。框架梁采用H 型钢H N 7003001324

7、。巨型斜撑截面H N 6002001117,加强层桁架H N300150659。钢材均为Q345。考虑建筑恒荷载8kN /m 2,活荷载2kN/m 2。基本风压0 45,地面粗糙度B 类。场地为#类场地第一组,基本设防烈度7度(0 1g ,阻尼比0 04。求解地震作用采用振型分解法,振型组合方式为CQ C 。图1 斜撑布置图建立四种模型(见图1、图2以便通过对比,找出斜撑和加强层组合之后,结构效能的变化。所谓结构效能,即设置该构件后,结构的响应所发生的变化,以体现出该构件对整体结构响应影响的程度。模型一:无加强措施。模型二:将结构按楼层10层分为一段,在每段外侧四周竖向设置交叉斜撑。模型三:在

8、10层、20层、30层、40层的外框架和核心筒之间各设置4道伸臂桁架。模型四:模型三和模型二的组合,即斜撑和加强层的组合。在分析中,考虑建筑物楼板连续,平面内不变形。故在计算周期、位移和内力时采用刚性楼板假定。在设置伸臂桁架的楼层,按 高规!11 2 14考虑楼板在平面内的变形。在计算分析过程中发现,对于此结构,风荷载产生的效应小于地震荷载作用,又因为结构X 、Y 两向对称,故对比分析中取X 向地震作用所产 生的效应作为分析参数。 图2 结构平面简图3 自振周期及侧向位移对比3 1 自振周期对比分析对四种结构体系分别建模分析,得出了它们各自的自振周期(如表1。表1 结构自振周期对比结构类型第一

9、自振周期/s 第一扭转周期/s无加强措施6 829(X 向2 216斜撑5 285(X 向1 966加强层6 120(X 向2 195斜撑+加强层5 089(X 向1 951仅设置斜撑,即使得自振周期减小22 6%;仅设置加强层,使得自振周期减小11%;两者组合设置的情况下,自振周期减小幅度为25 5%。从数据中,可以看出,斜撑所起的贡献很大。组合之后,斜撑仍占主要作用。同样,在扭转周期方面,虽然减小的幅度不是很大,但同样有着上述的现象和规律。3 2 侧向位移对比分析地震作用下,结构的X 向侧向位移及层间位移角对比结果(如图3。图中显示出,两者组合之后的位移及层间位移角与仅有斜撑时较为相近,只

10、是略有提高。说明在斜撑的存在下,加强层没有能够完全发挥出其刚度。层间位移角曲线上,有加强层存在的曲线出现了明显的位移不连续,在加强层的楼层上刚度发生突变,对抗震不利。4 外框架柱内力对比4 1 框架柱轴力对比分析图4为边柱C7的轴力沿楼层分布图。从图4可以看出,斜撑设置使边柱轴力略微增大,楼层出突变很小。加强层的设置将会使得边柱轴力大幅度增加,且在楼层处发生较大突变4。但两者同时作用时,斜撑的存在,将使得边柱轴力减小,即一部分边柱轴力通过结构的整体弯曲转移到角柱上去。因此,在只有加强层作用的情况下,边柱轴力最大。图5为角柱C1的轴力沿楼层分布图。从图5中可以看出,斜撑对于角柱的轴力影响很大,在

11、斜撑与角柱相交的楼层,轴力突变。而加强层的设置,不会使角柱轴力产生大的突变。两者同时存在时,加强层使得整体弯曲能力增强,使角柱轴力进一步增大,因此在斜撑+加强层这种组合下,角柱轴力达到最大。4 2 框架柱剪力对比分析 经过对各柱X 向剪力数据的统计,发现各柱剪力值的变化有着相同的规律。图6、图7列出角柱C1、边柱C7的剪力值随楼层的变化曲线。 图6 角柱C1剪力图C1柱与斜撑相交,没有和加强层相连。从曲线中能够看出,没有设置加强措施的平均楼层剪力很大。而设置了加强层之后,平均楼层剪力有较大的减小,但被加强的楼层由于刚度大,剪力突变幅度很大5。仅设置斜撑后,剪力大幅度减小,斜撑与柱相交处,剪力突

12、变但幅度不大。斜撑与加强层共同作用时剪力值最小,且沿楼层突变幅度不大,对结构较为有利。设置加强措施后,剪力减小较多的原因是加强措施使结构在荷载下产生整体弯曲变形,减小了剪切变形。而斜撑有着均匀竖向刚度,减小剪力突变的作用。 图7 边柱C7剪力图边柱C7的变化规律类似于C1柱,但其没有与斜撑相交,而与加强层相连。因此,在仅斜撑的模型下,剪力连续变化,不突变。而设置加强层时,则突变严重,上下刚度不连续。斜撑和加强层共同作用时,斜撑仍起着减小剪力突变的作用。5 核心筒弯矩对比图8为核心筒弯矩沿楼层变化曲线。图中表明:无加强措施时,核心筒弯矩沿竖向均匀变化,从上到下渐渐增大。设置斜撑或加强层之后核心筒

13、弯矩明显减小,斜撑的效能更大,且突变幅度更小。加强层的设置使得核心筒弯矩在加强楼层有很大突变。原因在于,加强楼层中,外围框架参与整体弯曲,对应的轴力形成弯矩抵抗一部分外荷载,使得核心筒的弯矩减小。在斜撑和加强层组合之下,两者的共同作用使得核心筒弯矩进一步减小,并且,外围布置的斜撑能够减小由设置加强层产生的核心筒弯矩的突变。图8 核心筒弯矩图6 结论及若干设计建议6 1 组合效能规律总结本文通过4种模型的分析对比,得出了斜撑与加强层组合效能的特点及规律。(1斜撑抗侧刚度、抗扭刚度相对较大。两者组合之后,斜撑仍起着主要作用。在斜撑的存在下,加强层没有能够完全发挥出其刚度。由于加强层的设置,楼层层间

14、位移角变化沿竖向不连续,存在较大突变,斜撑的存在能减小突变幅度。(2周边斜撑将增大与其相连的角柱轴力,但能有效减小与伸臂桁架相连边柱的轴力。加强层的设置则会增大边柱和角柱的轴力。(3斜撑与加强层共同工作时,外框架柱剪力显著减小。由于加强层的存在,剪力在伸臂桁架处有突变。而斜撑有着均匀竖向刚度,减小剪力突变的作用。(4斜撑与加强层同时设置,更有效地减小了核心筒弯矩。但仍存在这弯矩沿楼层高度突变的不利问题。外围布置的斜撑能够减小由设置加强层产生的核心筒弯矩的突变幅度。6 2 设计建议结合本文分析结果,对实际工程的设计提供若干建议。(1高层或超高层建筑中,应优先采用周边斜撑提高整体刚度,能充分利用塔楼整体宽度,增大力臂。避开设置加强层所导致的刚度及内力突变造成的不利。但斜支撑影响立面,降低幕墙标准化,并产生大量与梁柱相交的节点,增大施工成本,需综合考虑应用。(2设置加强层时,配合周边斜撑,有效结合了伸臂桁架的杠杆作用和斜撑的良好延性,又能减小刚度、内力的突变幅值,并有效减小由伸臂桁架带来的巨大的边柱轴力。但增设斜撑的同时,斜撑的轴力传