超高層裝配混合結構力學特性范文

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《空間結構雜志》2014年第二期

1筒體結構中的剪力滯后效應

高層筒體結構可以簡化成為一端固定的箱型懸臂構件．在受到水平荷載時，腹板和翼緣的正應力根據平截面假定應該呈現線性分布，如圖7中的虛線所示．而在實際情況中，腹板和翼緣的正應力呈現出兩邊大中間小的現象，應力在角柱處集中，如圖7中的實線所示，這并不滿足初等梁純彎曲理論中的平截面假定．這種正應力不均勻分布的現象，稱為剪力滯后．剪力滯后效應使筒體作為空間結構的受力特性遭到削弱，一些柱的承載能力沒有得到充分發揮，降低了筒體抵抗水平力的能力．剪力滯后引起柱應力不均勻分布，在材料還處于線彈性的情況下，柱的應力分布形態與位移分布形態相同，這還會引起樓板的翹曲．已有研究認為剪力滯后產生的原因是：翼緣（主要是裙梁）的剪切變形引起角柱軸力加大，增大柱與柱之間聯系的裙梁抗剪剛度，剪力滯后現象隨之減少．文獻詳細解釋了這一過程：翼緣框架各柱和窗裙梁的內力由角柱傳來；角柱受拉，使與它相連的裙梁承受剪力，同時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λ（適用于平面形狀為矩形的筒體）如下式中，σ表示柱的實際正應力，σ′表示受拉翼緣柱的平均正應力，ΔL表示柱中心到中性軸的距離，L表示柱對應的角柱中心到中性軸的距離，如圖8所示．從剪力滯后系數的定義不難看出，當λ＞0且越大時，應力集中于此柱，剪力滯后效應越嚴重；當λ＜0且越小時，柱承載能力沒有得到充分發揮；λ越接近于0則越符合理想的平截面假定，剪力滯后效應越弱．

2新結構體系中的剪力滯后效應分析

2.1新結構體系的分析方法與模型建立研究高層筒體結構剪力滯后的方法主要分為連續化方法和離散化方法兩種．連續化方法是把帶有規則開洞的筒體經壓彎與剪切等效化為連續的板來進行分析，假定位移函數分布，利用應變能變分原理來建立位移的控制方程，從而得到結構的位移與內力解．但連續化方法中不同位移函數的假定對分析結果影響較大．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，但未知數量多，求解規模龐大．本節采用有限元分析軟件對擬建模型進行分析．本節分析的擬建工程模型采用新型空間鋼網格“筒中筒”盒式結構，共50層，標準層高3．6m，總高度180m，標準層平面布置見圖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和不同因素對剪力滯后效應的影響，對模型做以下假設：（1）結構僅受水平荷載作用，不考慮豎向荷載（包括自重荷載）；（2）所有樓層均采用統一標準層．水平風荷載按規范，基本風壓50年一遇為0．4kN／m2，根據《建筑結構荷載規范》第7．1．2條和《高層民用建筑鋼結構技術規程》第4．2．2條要求，基本風壓取1．1×0．4＝0．45kN／m2．地面粗糙度按B類，體型系數取1．3．由于平面布置具有兩個對稱軸，可以取四分之一的模型進行分析，對四分之一外筒柱進行編號，見圖10．

2.2新結構體系中的剪力滯后現象根據標準模型四分之一平面繪制出的外筒剪力滯后系數分布見圖11．很明顯，角柱的剪力滯后系數在底層最大，向上呈遞減趨勢．由33層開始角柱剪力滯后系數小于0，表明33層以上的樓層呈現出負剪力滯后現象．腹板側柱的剪力滯后系數除頂層外均為負數，說明其承載力沒有充分發揮．腹板柱抵抗水平力引起的彎矩上所起作用本身并沒有翼緣柱大，腹板中柱附近的柱子接近中性層，它們的剪力滯后系數不具備研究價值，而靠近角柱的腹板柱的剪力滯后系數樓層越高越接近于0，表明層數越高，腹板的正剪力滯后效應越弱．圖11中翼緣側的剪力滯后系數分布與以往的研究結果有些差異，主要是中柱附近的翼緣柱也產生了和角柱一樣的應力集中現象．16號到19號柱在所有樓層的剪力滯后系數均大于1．從平面布置圖上來看，從15號柱開始要與核心筒相連接，增大了其抗側剛度，導致了正應力的增大．以往對剪力滯后效應的研究大都針對框筒結構，沒有考慮到與核心實腹筒體連接對抗側剛度的貢獻，結論顯然不能適用于筒中筒結構．從數值上看，底層角柱剪力滯后系數最大也僅為0．135，頂層中柱在前文所提的抗側剛度增加和負剪力滯后效應的疊加作用下，剪力滯后系數最大為0．173，剪力滯后效應引起應力增量相對理論值都沒有超過20％．可見新結構體系的剪力滯后效應相對較弱．雖然頂層中柱的負剪力滯后效應比較嚴重，剪力滯后系數數值很大，但是頂層的傾覆力矩很小，負剪力滯后效應對結構的影響不是很大．以下分析中，主要考慮底層的正剪力滯后效應．

2.3與常規筒中筒結構剪力滯后的對比分析在相同的設計條件下建立常規的筒中筒結構模型，平面布置如圖12所示．四分之一模型的外筒柱編號見圖13．常規筒中筒結構與新結構體系的區別主要有以下三點：（1）常規結構柱距略大于新結構；（2）常規結構樓蓋為井字形鋼梁而新結構樓蓋為協同式空腹夾層板；（3）常規結構不設墻架．加載相同的水平風荷載后，正剪力滯后效應最嚴重的底層剪力滯后系數分布圖如圖14．從圖14可以看出，常規結構角柱的正應力集中現象十分明顯，剪力滯后效應引起的軸力增量達到了39．3％，是新結構形式的三倍．常規筒中筒結構翼緣側的剪力滯后曲線十分陡峭，而新結構形式翼緣側的曲線相對平緩．這表明新結構體系翼緣柱的受力較為勻，空間整體性更強．圖15為常規筒中筒結構和新結構體系角柱剪力滯后系數沿樓層分布的對比曲線圖，從圖中可以看到，常規結構角柱的正剪力滯后效應沿豎向分布均大于新結構形式，常規結構形式從47層起，正剪力滯后效應才消失，幾乎所有樓層角柱都存在正應力集中的現象．從剪力滯后系數的橫向分布和沿樓層的縱向分布來看，新結構體系的剪力滯后效應遠小于常規筒中筒結構．整體抗側剛度的均勻分配使新結構體系的空間整體性更佳．

2.4墻架對剪力滯后效應的影響新結構形式的外筒壁用三道橫梁構成了墻架，墻架提高了外筒的抗剪剛度和抗側能力，但墻架對剪力滯后效應的影響并非完全是正面的．圖16為標準模型、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分布圖．圖16中角柱的剪力滯后系數隨著橫梁尺寸的增大而增大，這是由于角柱跟腹板側橫梁的連接，使抗側剛度增大，墻架尺寸越大，剛度增加多，角柱的剪力滯后效應越顯著．但是翼緣中柱的剪力滯后系數隨著墻架尺寸的加大而減小，這使得在設計時必須把握好墻架橫梁與柱的剛度比，剛度比過大，應力集中于角柱，剛度比過小，應力集中于翼緣中柱，兩種情況都是相當不利的．

2.5角柱尺寸對剪力滯后效應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系，使結構能夠實現空間受力，中柱的主要作用是提供巨大的抵抗矩來承擔外傾覆力矩．圖17是不同尺寸底層角柱的剪力滯后系數分布圖。從圖17可知，角柱尺寸的改變對腹板柱的影響很小，角柱尺寸的增加并沒有使角柱本身的剪力滯后系數增加，反而下降，但是中柱的剪力滯后系數上升．這個結論與以往的研究有所不同，產生不同的原因是以往的研究中以軸力作為剪力滯后效應的研究特征值，角柱面積增大導致軸力增大是必然的，但是應力實際上是有所減小．在新結構形式的設計中，應該重視角柱在結構中所起的重要作用，既要承擔兩個方向的水平荷載，還在抗扭轉中起重要作用，所以角柱的尺寸不宜過小，且應該適量增加配筋．角柱的大小在滿足設計要求的情況下，盡量平衡角柱和中柱的剪力滯后情況．如果角柱過大則會導致翼緣中柱的應力集中．

3結論

（1）新結構體系的正剪力滯后現象底層最為嚴重，由剪力滯后引起的底層柱的應力增量小于20％，剪力滯后效應相對較弱，結構的三分之二高度以上開始出現負剪力滯后效應，但負剪力效應對結構的影響不大，設計時可不考慮．（2）與常規的筒中筒結構相比，新結構體系的剪力滯后效應更弱．底層角柱的應力增量僅為常規結構的三分之一，角柱正剪力滯后效應在所有樓層均小于常規結構．（3）網格式墻架橫梁剛度越大，應力越集中于角柱；剛度越小，應力越集中于翼緣中柱．（4）角柱剛度越大，應力越集中于翼緣中柱；角柱剛度越小，應力越集中于角柱．設計時應使抗側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格盒式“筒中筒”混合結構外筒的抗側剛度和抗剪剛度大于常規結構，正剪力滯后效應較弱，結構整體受力均勻．樓蓋的空腹部分可以布置管線，有效降低了結構層高，在總高度相同的情況下，可以布置更多樓層，更具經濟性．

作者：余德冕馬克儉張華剛單位：貴州大學空間結構研究中心