高層建筑斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)抗震概念論說(shuō)

1、高層建筑斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)抗震概念論說(shuō)摘 要：為了解高層建筑斜交網(wǎng)格筒一核心筒新型結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的抗震概念，參照工程實(shí)例建立了典型的鋼管混凝土斜交網(wǎng)格筒一鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法，基于構(gòu)件塑性能發(fā)展過(guò)程明確了體系構(gòu)件的屈服順序、探討了墻肢厚度、斜柱截面、連梁高度等因素對(duì)體系構(gòu)件屈服順序的影響，總結(jié)了內(nèi)外筒抗震防線的分布特點(diǎn)，分析了體系彈性和塑性階段抗側(cè)剛度的主要影響因素和關(guān)鍵構(gòu)件以及體系塑性耗能的關(guān)鍵構(gòu)件。結(jié)合“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)和體系抗震防線分布特點(diǎn)以及構(gòu)件屈服特點(diǎn)，探討了該類型結(jié)構(gòu)的抗震概念。 關(guān)鍵詞：斜交網(wǎng)格筒；筒體；抗震；抗震防線；塑性耗能； 21世紀(jì)初，N

2、orman Foster將斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用于瑞士再保險(xiǎn)大廈和紐約赫斯特大廈，引起了世界各國(guó)建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的關(guān)注。該體系是由內(nèi)核心筒、斜交網(wǎng)格外筒組成的新型結(jié)構(gòu)體系，其中斜交網(wǎng)格外筒由斜柱和環(huán)梁構(gòu)成，具有較大的抗側(cè)剛度，通過(guò)梁板與內(nèi)部核心筒連接形成了筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外筒能夠提供60 以上的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度顯著提高，使其在高層、超高層建筑的建造中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。目前，對(duì)該新型結(jié)構(gòu)體系的研究多集中在彈性階段的受力特點(diǎn)分析及影響因素探討、外網(wǎng)筒簡(jiǎn)化計(jì)算方法理論研究、斜柱角度選取等方面。 對(duì)體系大震下非線性性能的研究主要集中在交叉斜柱節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 、體系抗震性能的總結(jié)口 以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3、比較和優(yōu)化等方面，對(duì)其大震下抗震概念的把握尚不清晰。而在中國(guó)，高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)多建造在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市，這些城市多處在抗震設(shè)防高烈度區(qū)域，體系的抗震性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重。 與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比，斜交網(wǎng)格筒的結(jié)構(gòu)形式，受力機(jī)理，傳力路徑等存在顯著的差異。外筒將樓層豎向和水平荷載轉(zhuǎn)化為斜柱的軸向拉壓力向下層傳遞，傳力直接且具有很強(qiáng)的空間協(xié)同工作性能，抗側(cè)剛度甚至超過(guò)核心簡(jiǎn)，體系的屈服機(jī)制明顯不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，抗震防線的分布也將發(fā)生較大變化。 因此，了解該體系在地震作用下各類構(gòu)件的屈服順序，掌握體系內(nèi)外筒抗震防線的分布，明確體系側(cè)向剛度和塑性耗能的關(guān)鍵構(gòu)件，建立體系的抗震概念，是確保這類新型結(jié)構(gòu)體系

4、的大震性態(tài)，對(duì)其進(jìn)行合理抗震設(shè)計(jì)的前提。該文對(duì)10個(gè)鋼管混凝土斜交網(wǎng)格筒一鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，明確了地震作用下體系的屈服過(guò)程和內(nèi)外筒抗震防線分布特點(diǎn)，分析了體系抗側(cè)剛度、塑性耗能的關(guān)鍵構(gòu)件，探討了體系的抗震概念。 1 分析方法 參考典型實(shí)際工程廣州西塔項(xiàng)目，結(jié)合斜交網(wǎng)格筒的受力特點(diǎn)以及研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)形式規(guī)則的斜交網(wǎng)格簡(jiǎn)一核心筒結(jié)構(gòu)，其中外筒由鋼管混凝土斜柱和鋼環(huán)梁構(gòu)成，內(nèi)部為鋼筋混凝土核心筒，內(nèi)外筒問(wèn)連系梁為鋼梁，交叉斜柱及環(huán)梁與斜柱交點(diǎn)均為剛性連接，并采用剛性樓板假定。結(jié)構(gòu)層高4m共48層，總高度為192 m，外簡(jiǎn)為邊長(zhǎng)36 in的正方形，內(nèi)筒為邊長(zhǎng)18 m

5、的正方形。斜柱鋼管及鋼梁采用Q345，核心筒按照規(guī)范方法采用HRB400進(jìn)行配筋，外筒環(huán)梁采用工字鋼8003002040，內(nèi)外筒間連系梁采用工字鋼60020011l7，剪力墻厚度為112層600 mm，隨樓層的增高每隔l2層減小厚度100 mm，至頂層墻厚為300 mm。連梁寬度與所在樓層的墻厚相同，連梁高度1 200 mm。 鋼管混凝土斜柱的截面隨高度的增加逐漸減小，壁厚均為20 mm，編號(hào)為D10W10C10，為便于闡述，定義一個(gè)交叉斜柱高度范圍所包含的樓層(6層)為一個(gè)斜交網(wǎng)格筒模塊，則結(jié)構(gòu)整體可視為8個(gè)斜交網(wǎng)格筒模塊沿豎向組合而成。通過(guò)調(diào)整斜柱截面、墻肢厚度及連梁高度等影響內(nèi)外筒抗側(cè)剛

6、度的主要參數(shù)，得到其余9個(gè)結(jié)構(gòu)模型D1OW 1OCO8、Dl0W 1OC12、D1OW 10C14、D10W 08C10、D10W 12C10、D10W 14C10、D08W 10C10、D12W 10C10和D14W10C10。編號(hào)中字母依次代表斜柱截面、墻肢厚度、連梁高度，其后的數(shù)字表示參數(shù)相對(duì)尺寸，如D08表示斜柱截面的直徑及鋼管厚度均為D10時(shí)的08倍。 采用Perform3D程序，以纖維截面模擬鋼管混凝土斜柱及鋼筋混凝土墻肢。鋼材采用二折線理想彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變曲線。鋼管約束混凝土采用三折線應(yīng)力一應(yīng)變曲線口 ，并考慮其強(qiáng)度退化，不同截面參數(shù)對(duì)應(yīng)的套箍系數(shù) 及其應(yīng)力一應(yīng)變曲線如。其中當(dāng)

7、l時(shí)，曲線不出現(xiàn)下降段。鋼筋混凝土剪力墻中的端部約束混凝土采用三折線有下降段的Mander約束混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線模型。鋼管混凝土柱截面外層為鋼管纖維，內(nèi)部為鋼管約束混凝土纖維。將截面沿半徑劃分成若干層，每層再均分成若干段，圖中截面共劃分了3O個(gè)纖維。截面的剪切特性通過(guò)定義可以考慮彈塑性剪切效應(yīng)的剪切截面來(lái)模擬。墻肢截面沿墻長(zhǎng)度方向劃分纖維，其中端部為Mander約束混凝土，中部為非約束混凝土。采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法，在分析中將各條地震波調(diào)整為相同加速度峰值，且在不加說(shuō)明的情況下，均采用3條地震波計(jì)算結(jié)果的平均值進(jìn)行探討。 2 體系塑性發(fā)展過(guò)程 為研究斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系中各類構(gòu)件的塑性發(fā)展

8、過(guò)程和分布特點(diǎn)，逐漸增大地震作用峰值加速度至體系主要抗側(cè)構(gòu)件均出現(xiàn)一定塑性為止。由于塑性能可以有效地反映結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能劣化及損傷累積過(guò)程，如為結(jié)構(gòu)D10W10C10的塑性能發(fā)展時(shí)程曲線，其中縱坐標(biāo)為體系各類構(gòu)件塑性耗能占體系總塑性能的比例，分析初始階段彈性體系中只有動(dòng)能、彈性變形能和阻尼能，因此構(gòu)件塑性能均為0，隨著連梁、斜柱和墻肢等先后屈服，體系開(kāi)始出現(xiàn)塑性能且不斷累積，其余構(gòu)件基本保持彈性。其中連梁最先屈服且塑性耗能持續(xù)增加，連梁為體系中塑性耗能最多的構(gòu)件。斜柱是第2批屈服的構(gòu)件，其塑性耗能增加速度較慢且增加到一定程度后基本保持穩(wěn)定。墻肢最后因彎曲導(dǎo)致基底墻肢屈服，由于其塑性主要集中在基

9、底墻肢的邊緣處，塑性耗能較小。至分析結(jié)束時(shí)，在體系的總塑性能中連梁占78 ，斜柱占217 ，墻肢只占03 。 由于墻肢的塑性能相對(duì)體系總塑性耗能很小，因此僅對(duì)塑性耗能較大的連梁和斜柱進(jìn)行塑性能參數(shù)分析，探討連梁高度、斜柱截面和墻肢厚度等對(duì)塑性能發(fā)展過(guò)程的影響。對(duì)連梁高度的參數(shù)分析均以保證其屈服機(jī)制一致且不發(fā)生剪切破壞為前提。增加連梁高度能推遲其屈服的時(shí)刻并增大其塑性耗能比例，但連梁仍是體系最先屈服的構(gòu)件，斜柱屈服的時(shí)刻并不受影響，斜柱的塑性耗能比例隨之降低。增大斜柱截面能夠推遲斜柱進(jìn)入塑性的時(shí)刻并減小其塑性耗能比例，連梁屈服的時(shí)刻不受影響，連梁塑性耗能比例隨之增大。增大墻肢厚度不改變連梁和斜柱

10、屈服的時(shí)刻，能夠增大連梁的塑性耗能比例并減小斜柱的塑性耗能比例，但影響程度較小?？梢?jiàn)在斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系中，構(gòu)件的屈服順序依次為連梁、斜柱、墻肢，改變相應(yīng)參數(shù)水平并不影響其屈服順序。這也說(shuō)明體系內(nèi)外筒抗震防線的分布與傳統(tǒng)框架(框筒)一核心筒結(jié)構(gòu)體系相比發(fā)生了明顯的變化，外筒斜柱先于內(nèi)筒墻肢屈服，斜交網(wǎng)格筒成為體系的第1道抗震防線，內(nèi)部核心筒成為了體系的第2道抗震防線，而內(nèi)筒中最先屈服的連梁仍可視為體系的1道附加抗震防線。 3 體系抗震性能分析 31 抗側(cè)剛度關(guān)鍵構(gòu)件 如為墻肢厚度、連梁高度、斜柱截面對(duì)結(jié)構(gòu)基本周期的影響，增大各參數(shù)都能夠增大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度從而降低結(jié)構(gòu)第1周期，各參數(shù)影響程度的排序

11、為斜柱截面影響最大，墻肢厚度次之，連梁高度影響最小。如為保持地震作用不變，各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)塑性層問(wèn)位移角最大值的影響，增大各參數(shù)均可增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度而降低結(jié)構(gòu)層間位移角最大值，其中斜柱截面影響最大，連梁高度影響次之，墻肢厚度影響最小。斜交網(wǎng)格筒內(nèi)力系數(shù)隨各參數(shù)的變化，這里外筒內(nèi)力系數(shù)為外筒基底內(nèi)力與結(jié)構(gòu)基底內(nèi)力的比值。增加連梁高度和墻肢厚度使外筒內(nèi)力系數(shù)減小，增大斜柱截面能夠明顯增大外筒內(nèi)力系數(shù)。其中外筒剪力系數(shù)均大于05，外筒彎矩系數(shù)均大于082?？梢?jiàn)在斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)中，外筒是體系主要的抗側(cè)力構(gòu)件，而斜柱是外筒彈性和塑性階段側(cè)向剛度的關(guān)鍵構(gòu)件。 32 塑性耗能關(guān)鍵構(gòu)件 體系進(jìn)入塑性后，衡量其抗震

12、性能的不僅僅是其側(cè)向剛度，還應(yīng)包括其塑性耗能能力。如圖9所示為H1波作用下連梁和斜柱典型的滯回耗能曲線，連梁為端部彎曲型屈服機(jī)制，滯回環(huán)較飽滿，塑性耗能能力強(qiáng)。斜柱以軸向內(nèi)力為主，屈服機(jī)制不利于構(gòu)件耗能，但由于其軸向內(nèi)力較大，因此屈服后也能夠耗散一定的塑性能。斜柱塑性能分布相對(duì)集中在下部樓層，最大值發(fā)生在基底附近的第1、2模塊內(nèi)，隨樓層的增高而迅速減小，上部個(gè)別樓層受高階振型影響有所增大。改變墻肢厚度、連梁高度和斜柱截面對(duì)該塑性能分布規(guī)律的影響較小。 如為連梁塑性耗能在樓層間的分布，可見(jiàn)連梁的塑性能分布范圍較大且受高階振型影響較明顯，在靠近結(jié)構(gòu)基底和頂部附近的模塊內(nèi)其塑性耗能最大，結(jié)構(gòu)中部樓層

13、略小，結(jié)構(gòu)基底和頂部樓層內(nèi)連梁塑性能最小。改變墻肢厚度、連梁高度和斜柱截面對(duì)連梁塑性耗能在樓層間的分布規(guī)律影響較小。斜柱和連梁塑性耗能占體系總塑性耗能的比例受各參數(shù)的影響，增大連梁高度、斜柱截面和墻肢厚度均使連梁塑性耗能比例增加，斜柱塑性耗能比例減小，其中連梁高度影響程度最大，斜柱截面次之，墻肢厚度影響最小，且連梁塑性耗能比例在各參數(shù)水平下均在8O 以上?？梢?jiàn)連梁是斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系塑性耗能的關(guān)鍵構(gòu)件。 33 抗震概念探討 斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件屈HFN 序、內(nèi)外筒抗震防線分布特點(diǎn)以及構(gòu)件的抗震性能與傳統(tǒng)的框架(框筒)一核心筒類型結(jié)構(gòu)體系相比發(fā)生了較大的變化，因此對(duì)于該類型結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)

14、結(jié)合其自身特點(diǎn)建立與其相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震概念。目前中國(guó)抗震規(guī)范是以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為抗震設(shè)防目標(biāo)的，因此對(duì)于斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系，在小震作用下結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件均應(yīng)保持彈性從而實(shí)現(xiàn)“小震不壞”。在中震作用下，通常結(jié)構(gòu)第1道抗震防線中的構(gòu)件是允許一定程度屈服的，但是在斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)中，外筒成為結(jié)構(gòu)的第1道抗震防線，而斜柱是其抗側(cè)力和承重的關(guān)鍵構(gòu)件，一旦發(fā)生較嚴(yán)重屈服則不易實(shí)現(xiàn)“可修”，因此宜控制斜柱在中震下輕微損傷甚至保持不屈服。碾壓式中小型瀝青混凝土心墻壩施工設(shè)備與施工技術(shù)研發(fā) 此時(shí)內(nèi)筒墻肢作為第2道抗震防線的抗側(cè)力和承重構(gòu)件宜控制其屈服甚至保持彈性，而連梁是結(jié)構(gòu)的附加抗震防線，更是結(jié)構(gòu)

15、關(guān)鍵的耗能構(gòu)件，在兼顧其“可修”的前提下應(yīng)允許其部分屈服以耗散地震能量。在大震作用下，通常結(jié)構(gòu)的第1道和第2道抗震防線都是允許屈服的，但由于斜交網(wǎng)格筒是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)了結(jié)構(gòu)大部分的側(cè)向荷載，斜柱作為其側(cè)向剛度的關(guān)鍵構(gòu)件，一旦大量屈服并發(fā)生承載力退化，將導(dǎo)致內(nèi)外筒樓層荷載重分配，內(nèi)筒承擔(dān)的荷載將大幅上升，而墻肢作為結(jié)構(gòu)最后一道抗震防線若發(fā)生較嚴(yán)重的屈服則難以確保結(jié)構(gòu)“不倒”。因此，宜適當(dāng)控制斜柱在大震下的屈服程度和數(shù)量，盡量控制斜柱不發(fā)生承載力退化，并且墻肢亦僅允許發(fā)生較輕的抗彎屈服為宜。此時(shí)連梁應(yīng)允許充分發(fā)展塑性，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)剛度，減小地震作用并大量耗散地震能量。連拱隧道施工技術(shù)初試 4 結(jié)論 1)在斜交網(wǎng)格筒一核心筒結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件在地震作用下的塑性發(fā)展順序依次為連梁、斜柱、墻肢。斜交網(wǎng)格筒是體系的第1道抗震防線，核心筒是第2道抗震防線，連梁仍可視為體系1道附加的抗震防線。 2)斜交網(wǎng)格筒是體系的主要抗側(cè)力構(gòu)件，而斜柱是其彈性和塑性階段剛度的關(guān)鍵構(gòu)件；連梁是體