西北某商務(wù)中心高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1、 本文由201086q貢獻(xiàn) pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 第十八屆全國離層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 西北某商務(wù)中心高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 魏捷張文華廖耘 （髓廣卅謇柏生建筑工程設(shè)計(jì)事務(wù)所廣嫻） 【提要】本文介紹了西北某高層商務(wù)中心的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對該結(jié)構(gòu)的諸多不利抗震條件，詳細(xì)介紹了 事務(wù)所的設(shè)計(jì)思路和解決方案，并著重分析了采用中心支撐和中心支撐不連續(xù)對該結(jié)構(gòu)抗震性能的 影響 關(guān)鍵詞】方鋼管混凝土柱，中心支撐，鋼一砼組合結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù) ： ， ， 燃 ， ， ， 前言 本文所介紹的工程由于場地形狀的原因，建筑平面呈不規(guī)則的“”型，同

2、時建筑使 用功能為上公寓下酒店，采用了兩套完全獨(dú)立的豎向交通系統(tǒng)（圖）。原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方 案為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，若圍繞豎向交通設(shè)置核心筒，則結(jié)構(gòu)嚴(yán)重偏心，難以抑制扭 轉(zhuǎn)：若不設(shè)核心筒，則很難滿足側(cè)移要求，且會出現(xiàn)抗側(cè)力構(gòu)件的高位轉(zhuǎn)換，鼯種方案均 須對建筑平面作較大調(diào)整，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與受力性能也都不理想。事務(wù)所接手該工程的結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)后，從體系抗震行為著眼，將結(jié)構(gòu)形式改為方鋼管混凝土柱中心支撐結(jié)構(gòu)，借助 鋼結(jié)構(gòu)開問較大，抗側(cè)力構(gòu)件布置靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了建筑功能與結(jié)構(gòu)體系的有機(jī)結(jié)合， 并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 本工程的設(shè)計(jì)中綜合了當(dāng)前高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的多個難點(diǎn)，如高烈度區(qū)，類場 地土，平面不規(guī)則，豎向

3、不規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等。事務(wù)所從研究此類 魏捷，男，年出生工學(xué)碩士，商級工程師 ? 第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 圖建筑典型平面（陰影部分為豎向交通區(qū)） 結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，評估抗震性能的角度出發(fā)，對該工程作了較為詳盡的分析計(jì)算和歸納總 結(jié)工作，并將階段性成果匯集于本文，敬請各位同仁批評指正。 工程概況 本工程位于陜西省西安市，總建筑面積約萬，地上層，地下兩層，建筑總高 度約。一三層為商場，餐廳等開放式空閬：四層至十一層為酒店：十二層為設(shè)備轉(zhuǎn) 換層兼辦公層；十三層至二十四層為上下復(fù)式公寓。各層層高：首層、三層 ，屢 ，十二層，酒店，公寓。 塔樓平面尺寸為，地面以上結(jié)構(gòu)主體高度為，高

4、寬比以裙 房頂計(jì)為（），長寬比為，平面突邊 ，屬平面不規(guī)則凹凸。 場地地震基本烈度為度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為，設(shè)計(jì)地震分組為第一 組。建筑場地類別屬類，設(shè)計(jì)特征周期為。 結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)思路 本結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系為方鋼管混凝土柱方鋼管混凝土中心支撐，樓面為現(xiàn)澆混凝士樓 板型鋼粱的組合樓蓋體系。主要框架柱截面為；鋼管壁厚為 ；主要 支撐截面為和，鋼管壁厚分別為和。 本工程在體型上先天不足，又位于度類場地土上，對地震力的反應(yīng)遠(yuǎn)大于風(fēng)荷 載。若將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得過剛，則難于布置與控制扭轉(zhuǎn)，且地震反應(yīng)也更大，從抗震概念設(shè)計(jì) 和經(jīng)濟(jì)性的角度來看都不合適。因此，我們選擇了抗震延性和變形能力更強(qiáng)的鋼構(gòu)件來形 成柔性抗

5、震體系，取彈性階段的層間位移角限值為¨，遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土剪力墻結(jié) 構(gòu)的限值（）。 第十八屆全嗣高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 璣混合結(jié)構(gòu)阻尼比百。按此計(jì)算，本結(jié)構(gòu)阻尼比為，與文獻(xiàn) 時，在鋼管內(nèi)充填混凝土也利于管壁局部穩(wěn)定，可增大板件寬厚比，提高鋼材利用率。 根據(jù)文獻(xiàn)【】中的公式，鋼一砼混合結(jié)構(gòu)的阻尼比取決于混凝土對側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)率 【】規(guī)定相符，而純鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比僅為。本結(jié)構(gòu)方鋼管內(nèi)混凝±重量約為結(jié)構(gòu)總重 的，經(jīng)對比，其對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的不利影響遠(yuǎn)小于阻尼比提高所帶來的有利影響。同 就純框架體系而言，該結(jié)構(gòu)右側(cè)抗側(cè)移能力大于左側(cè)，而由予外立面的要求，無法在 周邊設(shè)置支撐來提高結(jié)

6、構(gòu)抗扭度。因此，層以上的塔樓中向支撐較多的布鬣于結(jié)構(gòu) 左側(cè)，以平衡抗側(cè)力體系，減少結(jié)構(gòu)偏心（圖）。同時。由于使用功能的要求，向 支撐主要布置于結(jié)構(gòu)右側(cè)，這就要求向支撐與向支撐盡量分離，以避免橫縱支撐相 連形成偏心筒而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)（圈一）。對于剪力墻結(jié)構(gòu)，這種布置方式會造成大 量單片墻肢，對抗震不利，鋼結(jié)構(gòu)則無此問題。 由于使用功能的交化，使得部分抗側(cè)力構(gòu)件無法延續(xù)至裙房，麗平移到結(jié)構(gòu)外圍（圖 ）：同時，十二層的層高比相鄰層高強(qiáng)，為避免該層成為薄弱層，在該層增 設(shè)了一榀支撐，并加大了支撐截面尺寸。上述原因使得結(jié)構(gòu)局部抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，但中 心支撐的不連續(xù)相比剪力墻的不連續(xù)，受力特點(diǎn)有所不同，后文

7、將作詳細(xì)分析。 卜 廠 ）層 ）層 ）層 ）層 ）層 圖各層支撐分布情況 ）屋面層 ? 第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 整體計(jì)算結(jié)果 ）第一周期秒（） ）第二周期秒（） ）第三周期秒（） 圖結(jié)構(gòu)空間整體振動圖（括號內(nèi)為平動系數(shù)） ，降膏疆孵? 跫 ：奄 螄?；剩?：？二） 巨 “”：?：，： 、 ： 一、 、 慧，。 ，一一？司 一 ）向 ）向 ）向 ）向 圖結(jié)構(gòu)層位移曲線圖 圖結(jié)構(gòu)層間位移曲線 ）結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比為； ）風(fēng)荷載下最大層間位移角（層），滿足“高鋼規(guī)”第條；地震荷 載作用下最大層間位移角（層），滿足“抗規(guī)”第條； ）地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大彈性水

8、平位移和層間位移分別為樓層兩端彈性水平 位移和層間平均位移的和倍，滿足“抗規(guī)”第條對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的限 制： ）各層側(cè)向剛度與相鄰上一層側(cè)向剛度的，或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的 的比值中最小者為（層），滿足“抗規(guī)”第條側(cè)向剛度規(guī)則性要求。 ）結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點(diǎn)加速度最大值為 ，滿足“離鋼規(guī)” 第條舒適度規(guī)定。 口計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期及位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，構(gòu)件截面取值合 理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。 ? 第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)分類分析 當(dāng)中心支撐在豎向不能連續(xù)時，其軸力將直接傳遞給框架柱和框架梁，從構(gòu)件層面 來看，并不需要剪力壤結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換支承構(gòu)件。這

9、使得中心支撐的布置較之剪力墻更為靈 活，且不會影響層高。但從宏觀的角度來看，無法連續(xù)的中心支撐必定會按照“剛度最 大，路徑最短”原則，將其所承受的水平力通過某種方式傳遞給其他抗側(cè)力構(gòu)件。因此從 樓層剪力傳遞的角度來看，依然存在轉(zhuǎn)換構(gòu)件，只是這種構(gòu)件無需承擔(dān)支撐的重力荷載。 通過分析歸納發(fā)現(xiàn)，中心支撐不連續(xù)大致可分為以下兩類情況： 支撐的隔榀和隔跨錯動 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 上層 下層 ， × ） （、！ ” 一 、 × ） 二一 一二一， 一：卜卡 ）隔跨錯動 一，； 一 ）鄰榀錯動 圖支撐的隔榀和隔跨錯動 圖是本工程支撐不連續(xù)的主要形式，由于上層支撐

10、不能直接的把軸力傳遞給鄰榀或 隔跨的支撐，樓板充當(dāng)了轉(zhuǎn)換構(gòu)件的角色。如圖所示，樓板的主應(yīng)力跡線由不連續(xù)的 支撐端點(diǎn)急劇向相鄰支撐端點(diǎn)集中，此時樓板的受力形式接近于剪力墻。由于只是局部支 撐構(gòu)件不連續(xù)，加之樓板面積遠(yuǎn)較剪力墻大，對剪力的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，通過璧化分析發(fā) 現(xiàn)，樓板剪力遠(yuǎn)小于其允許承載力。因此，只要采取相應(yīng)的構(gòu)造措施消除應(yīng)力集中，適當(dāng) 增強(qiáng)樓板剛度和配筋，這種類型的支撐不連續(xù)并不會給結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能造成大的影響。 一 一 ， 一 一 ， ， 。一 × ， ， ， ， ， ， ， ， 丁 了 萬 叉 ， ， ， ）樓板主應(yīng)力跡線）樓板剪應(yīng)力云圖 圖鄰榀支撐間的剪力傳遞 支撐的鄰跨錯動

11、 ? 第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 圖是可能出現(xiàn)的另一種支撐不連續(xù)形式，由予某一層使用功能的改變，導(dǎo)致該層支撐 移動到相鄰跨，下一層又恢復(fù)到原來位置。從抗側(cè)剛度來看，樓層的抗側(cè)剛度并未削弱，支撐 的軸力傳遞也比較直接。但移動到鄰跨的支撐軸力卻遠(yuǎn)大于原位置支撐，原因在于該支撐將支 撐跨的柱軸力“拖曳”到了相鄰柱上，此時支撐的受力形式更接近于伸臂桁架，起到了協(xié)調(diào)豎 向變形的作用，而其抗震承載力儲備則大幅降低。此類支撐不連續(xù)形式對結(jié)構(gòu)抗震性能有較大 影響，在本工程設(shè)計(jì)中已盡量避免。對確需移動到鄰跨的支撐，則采取將其下各層支撐都移動 到鄰跨的方法，以平均分配柱間軸力差。 彳 ？ 上 遣。文

12、 等 篇 影 ：靠 了 孽 ！ 越 ， 、 、。， 彩； 蘭 蔓氫塞 卜 遄 圖支撐的鄰跨錯動與受力圖 結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制與抗震延性 根據(jù)“抗規(guī)”規(guī)定，度抗震設(shè)防區(qū)的高層鋼結(jié)構(gòu)宜采用偏心支撐，但國外的最 新震害表明，偏心支撐在遭破壞后，由于耗能粱段變形嚴(yán)重，其修復(fù)工作不僅難度大，且 耗費(fèi)昂貴【。同時，相同截面條件下，偏心支撐體系的抗側(cè)剛度僅為中心支撐的到 ，支撐斜桿不發(fā)生屈服，不能充分利用構(gòu)件截面，其經(jīng)濟(jì)性也較差。因此，本工程中 經(jīng)反復(fù)試算比較，仍決定采用中心支撐體系，并從提高支撐構(gòu)件的反復(fù)拉壓性能入手，保 證結(jié)構(gòu)抗震延性。 方鋼管混凝士支撐的循環(huán)受力性能 本結(jié)構(gòu)所采用的方鋼管支撐，最大計(jì)算長度約為

13、，截面尺寸為，不 計(jì)管內(nèi)混凝土貢獻(xiàn)，按經(jīng)典屈曲分析求得其歐拉臨界力為，而其截面屈服軸力為 ，遠(yuǎn)小于臨界屈曲力。因而，本工程支撐均可視為短粗支撐，不易發(fā)生整體屈曲 失穩(wěn)。而在方鋼管內(nèi)充填混凝土，則可有效防止管壁在較大軸力下發(fā)生局部屈曲起皺。因 而，由方鋼管混凝土構(gòu)成的實(shí)心截面支撐，其抵抗反復(fù)荷載的能力要明顯優(yōu)于型鋼或 其他類型的薄壁桿件支撐。同時中心支撐憑借軸向變形耗能，其耗能效率高于依靠彎曲 變形耗能的偏心支撐，文獻(xiàn)【】中對本結(jié)構(gòu)所作的罕遇地震下彈塑性時程分析表明，在中 心支撐多數(shù)屈服的情況下，僅有個別框架柱出現(xiàn)了塑性鉸，支撐的保護(hù)作用顯著。同時， 作為第一道抗震防線，中心支撐的更換和維修較為

14、方便，對建筑使用影響不大，是適合本 工程的抗側(cè)構(gòu)件形式。 ? 第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文 年 跨層撐的受力性能 本工程中大量使用了跨層支撐。如圖所示，入字形支撐和跨層形支撐在彈性階 段的抗側(cè)剛度基本相同。但由圖結(jié)果可見，跨層撐體系的極限變形能力明 顯優(yōu)于單一人字撐體系。對入字撐體系，當(dāng)其中一肢支撐發(fā)生受壓屈服，整個支撐也就喪 失了繼續(xù)吸收地震力的能力：而跨層撐則需根支撐依次屈服后才會完成變形，能更加 充分的發(fā)揮支撐桿件的變形能力，在彈塑性階段具有更好的抗震延性。 圖人字撐與跨層撐 圖人字?jǐn)f與跨層撐的極限推覆形態(tài) （放大比例相同） 結(jié)語 本工程的施工圖設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成，結(jié)構(gòu)總用鋼量約為噸，每平米用鋼量約為 公斤（含節(jié)點(diǎn)用鋼量）。對度類場地的高層建筑來講，這是一個比較理想的數(shù) 字。事務(wù)所對整個結(jié)構(gòu)作了比較細(xì)致的裁露優(yōu)化工作，各構(gòu)件的應(yīng)力比都控制在比較 高的水平，且較為平均。 由前述介紹可以看到，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期和平動周期的距離并未拉開，是設(shè)計(jì)中的一 個主要不足之處。這是因?yàn)闊o法在外圍設(shè)置更多的抗側(cè)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)的平動剛度和扭轉(zhuǎn) 剛度比較接近所致，體系并無明顯偏心。考慮到鋼結(jié)構(gòu)的延性變形能力和抗剪強(qiáng)度富 余，這一點(diǎn)還是可以接受的。 年在廈門召開的第屆“商層建筑抗