混合結(jié)構(gòu)豎向荷載下的受力性能

1、  混合結(jié)構(gòu)豎向荷載下的受力性能   摘 要:通過一高層混合結(jié)構(gòu)的算例,改變外鋼框架與混凝土核心筒之間的剛度比以及在不同的層高設置加強層,對高層鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的受力和變形性能進行分析比較。結(jié)果表明,增加剪力墻厚度可以顯著的增大剪力墻承擔的總軸力,并有效的減小樓層豎向位移;加強層對結(jié)構(gòu)豎向變形的影響很大,合理的設置加強層可有效的減小結(jié)構(gòu)的豎向變形差。關鍵詞:高層;混合結(jié)構(gòu);剛度比;加強層1前言外鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點,適合我國國情,已成為當前我國高層和超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式12。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)多,高度大,柱和墻的軸力、軸向變形都很大,所以在結(jié)構(gòu) 計算 時必須考慮軸向變形的影響3。在混合結(jié)構(gòu)中,鋼構(gòu)件相對于混凝土構(gòu)件來說,截面小,剛度小4,導致同一結(jié)構(gòu)中不同豎向構(gòu)件的材料特性及應力水平的差異很大,使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生顯著的豎向變形差5,對結(jié)構(gòu)的受力和使用不利。高層混合結(jié)構(gòu)在豎向荷載下的受力性能與豎向荷載的大小、施工過程以及混凝土的收縮、徐變等因素有關。在這篇文章中,我們只討論豎向荷載一次加載下的受力性能,其他因素將在以后進行討論。下面以一個高層混合結(jié)構(gòu)為對象,分別按不同的鋼框架與混凝土剪力墻剛度比以及不同位置設置加強層時的受力和變形情況進行計算和比較,提出了此類

3、結(jié)構(gòu)合理剛度比及合理加強層位置的建議。2計算分析2.1 算例概況結(jié)構(gòu)為二十三層外鋼框架-內(nèi)混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)1,平面尺寸及布置如圖1所示,結(jié)構(gòu)總高為78.3m,1到2層層高為4.5m,3到23層層高為3.3m。在結(jié)構(gòu)的1、2層抽柱形成大空間,外鋼框架柱、梁均采用方鋼管。全部柱及加強層梁尺寸為800mm×800mm×55mm;其余的梁尺寸均為600mm×600mm×55mm;芯筒為鋼筋混凝土,墻厚根據(jù)計算方案不同從200mm到600mm變化;標準層鋼筋混凝土樓板厚150mm,加強層及抽柱處樓板厚200mm。鋼材采用q235,混凝土為c40。活荷載取值為3

4、kn/m 2 。2.2計算方案計算程序采用大型結(jié)構(gòu)分析通用有限元程序ansys6.1,采用梁、殼單元進行分析。為了探尋剪力墻與鋼框架不同剛度比以及不同位置設加強層對結(jié)構(gòu)豎向受力性能的影響,采用如下幾個方案進行分析計算:方案一(w2):剪力墻厚度為200mm;方案二(w3):剪力墻厚度為300mm;方案三(w4):剪力墻厚度為400mm;方案四(w6):剪力墻厚度為600mm;每種方案里面又分5種情況:,不設加強層(s0);,第3層加強(s3);,第3、14層加強(s3-14);,第3、23層加強(s3-23);,第3、11、23層加強(s3-11-23)。2.3計算結(jié)果 變剪力墻厚度時剪力墻承

5、擔的總軸力比較(圖2)在圖2所示的五種情況下,隨著剪力墻厚度的增加,剪力墻承擔的總軸力均大幅增加,大于20%,增加百分數(shù)逐漸減小。不設加強層時,剪力墻厚度增加100mm,承擔的軸力平均增加22.05%;厚度增加200mm,承擔的軸力平均增加39.17%;厚度增加400mm,承擔的軸力平均增加63.55%。第3層設加強層后,剪力墻承擔的軸力隨墻厚增加的變化情況和不設加強層時的變化相差不大,分別增加1.3%、2.67%和4.95%,加強層以下墻的軸力隨墻厚的增加影響逐漸減小。設第2、3道加強層與設1道加強層時相比的平均增長幅度變化不大于2%。第3層和頂層加強時,頂層剪力墻承擔的軸力隨墻厚的增加變化

6、不大,當墻厚增加100mm、200mm和400mm時,軸力分別增加2.3%、1.88%和1.96%。不同位置設置加強層時剪力墻承擔的軸力比較(圖3)剪力墻厚為200mm時,第1道加強層設在第3層時,豎向荷載下剪力墻承擔的軸力,在加強層突然增大14.8%;加強層以下剪力墻軸力增大,但增大百分比顯著減小(<1.9%);加強層向上至頂層剪力墻軸力減小,減小百分比逐漸減小。在第14層設第2道加強層時,第3層以下與只設1道加強層時相比剪力墻軸力增加小于1.0%;從第1道加強層以上到第2道加強層之間,剪力墻承擔的軸力比不設加強層時的減小,減小百分比逐漸減小,但減小量低于只設1道加強層時的減小量;第2

7、道加強層處剪力墻軸力則突然增大7.66%;第2道加強層以上至頂層,剪力墻軸力減小,減小百分比逐漸減小。第2道加強層設在頂層時,第3層以下與第2道加強層設在第14層時的相比,變化小于0.5%;第3層以上墻軸力的變化與不設加強層時相比從減小9.96%向上逐漸變化到頂層的增加100.52%。在第3、11、23層處設置共3道加強層時,剪力墻承擔的軸力與不設加強層時相比,加強層處均突然增大,從下向上增大的百分比分別為15.76%、6.12%和75.33%;第3層以上到第10層軸力減小,減小百分比逐漸減小;第11層以上到第22層,軸力從減小10.57%逐漸變化到增大25.50%。剪力墻厚為300mm、40

8、0mm和600mm時,墻軸力隨加強層的設置位置和層數(shù)變化 規(guī)律 同墻厚為200mm時的一樣,但受影響程度減小了。頂點豎向位移的比較由于結(jié)構(gòu)雙向?qū)ΨQ,故只選取對稱的1/4平面內(nèi)的節(jié)點進行分析,各點位置見圖1(b)。剪力墻厚為200mm時,第3層設加強層,各點位的頂點豎向位移顯著減小,最大減小12.51%,最小減小4.95%,變形差由2.5mm減少為2.15mm;第3、11和23層設加強層,點5豎向位移減小9.57%,點7豎向位移增大8.92%,變形差減小為1.18mm。剪力墻厚為300mm時,不設加強層時,與墻厚為200mm時相比,頂層各點的豎向位移顯著減小,最大減小14.1%,平均減小11.0

9、5%,但頂層的豎向變形差增大了17.2%;頂點豎向位移隨加強層的變化規(guī)律和墻厚為200mm時的相同,兩者相差不大(<1.0%)。剪力墻厚為400mm時,不設加強層時,與墻厚為200mm時相比,頂層各點的豎向位移減小更為顯著,最大減小22.47%,平均減小18.4%,頂層的豎向變形差增大了23.6%;剪力墻厚為600mm時:不設加強層時,與墻厚為200mm時相比,頂層各點的豎向位移最大減小33.37%,平均減小27.7%,頂層的豎向變形差增大為3.34mm,增大了33.6%。2.4 計算結(jié)果分析剪力墻的厚度增加100mm、200mm和300mm后,墻軸力分別增加22%、39%和64%左右;

10、由于該結(jié)構(gòu)高78.3m,剪力墻厚度不會達到600mm,所以可以說剪力墻厚度每增加100mm,其承擔的總軸力將增加20%左右。這說明增大剪力墻的厚度可以明顯的增大其豎向剛度,“脊柱”作用明顯加強,可以承擔更多的豎向荷載。同時,隨著剪力墻厚度的增加,頂層各點的豎向位移也明顯減小。墻厚減小100mm、200mm、400mm時,頂層各點的豎向位移差分別減小17.2%、23.6%和33.6%,這說明剪力墻厚度的減小,使豎向變形更為均勻。第3層設置為加強層后,豎向荷載下剪力墻承擔的軸力,在加強層突然增大(7.7514.8%);加強層至底層剪力墻軸力增大,增大百分比顯著減小;加強層至頂層剪力墻軸力減小,減小

11、百分比逐漸減小。第2道加強層設在第14層時,2道加強層之間從下至上軸力減小,減小百分比逐漸減小,但減小量低于只設1道加強層時的減小量。頂層設有加強層時,對頂層的墻軸力影響最大,最大可增大100.52%。總體來看,剪力墻軸力在加強層及其附近幾層變化最大。在加強層處顯著增大;在加強層以下,軸力增大,但增大幅度較小,且增大百分比逐漸減小;在加強層以上,軸力減小,減小百分比也逐漸減小。同時,剪力墻厚度不變時,隨加強層數(shù)的增多,柱子的豎向位移減小,墻的豎向位移增大,使樓層豎向位移趨于均勻。說明加強層有較大的抗彎剛度,減小了加強層以上柱子的豎向位移,并把荷載傳遞到剪力墻,增大其豎向變形,很好的起到了減小變

12、形差的作用。從以上分析來看,加強層設在第3層和頂層對改善結(jié)構(gòu)的豎向變形最有利,再設第3道加強層時的變化已不大。3結(jié)論通過以上分析,對于高層外鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在豎向荷載一次加載下的受力性能,可以得出以下結(jié)論:2.1增加剪力墻的厚度,可以顯著的增加剪力墻承擔的總軸力、減小樓層的平均豎向位移;減小剪力墻厚度可減小樓層的豎向位移差;2.2設加強層僅對加強層及其附近幾層的受力影響較大:加強層處剪力墻軸力突然增大;加強層以下軸力增大,增大百分比逐漸減小;加強層以上軸力減小,減小百分比逐漸減小;2.3設加強層可以減小柱子的豎向變形,增大剪力墻的豎向變形,從而顯著減小樓層的豎向變形差;但隨加強層道數(shù)增加,豎向位移差的減小幅度減弱,故加強層不宜多設;2.4改善結(jié)構(gòu)的豎向受力性能和變形性能,應適當?shù)脑黾蛹袅Φ暮穸群驮O置加強層;2.5加強層附近幾層內(nèi)力發(fā)生突變,設計時應對加強層相連接的構(gòu)件予以加強。 參考 文獻 :1 龔炳年.鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型實驗研究.建筑 科學 ,1994(2):10-14