摘 要:通過(guò)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(shè)置加強(qiáng)層,對(duì)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(jìn)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(dān)的總軸力,并有效的減小樓層豎向位移;加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)豎向變形的影響很大,合理的設(shè)置加強(qiáng)層可有效的減小結(jié)構(gòu)的豎向變形差。
關(guān)鍵詞:高層;混合結(jié)構(gòu);剛度比;加強(qiáng)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(diǎn),適合我國(guó)國(guó)情,已成為當(dāng)前我國(guó)高層和超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式[1][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(jì)算時(shí)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(duì)于混凝土構(gòu)件來(lái)說(shuō),截面小,剛度小[4],導(dǎo)致同一結(jié)構(gòu)中不同豎向構(gòu)件的材料特性及應(yīng)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(duì)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(guò)程以及混凝土的收縮、徐變等因素有關(guān)。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(jìn)行討論。下面以一個(gè)高層混合結(jié)構(gòu)為對(duì)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(shè)置加強(qiáng)層時(shí)的受力和變形情況進(jìn)行計(jì)算和比較,提出了此類結(jié)構(gòu)合理剛度比及合理加強(qiáng)層位置的建議。
2計(jì)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(qiáng)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(jì)算方案不同從200mm到600mm變化;標(biāo)準(zhǔn)層鋼筋混凝土樓板厚150mm,加強(qiáng)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3kN/m2。
2.2計(jì)算方案
計(jì)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(jìn)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(shè)加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)豎向受力性能的影響,采用如下幾個(gè)方案進(jìn)行分析計(jì)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:⑴,不設(shè)加強(qiáng)層(s0);⑵,第3層加強(qiáng)(s3);⑶,第3、14層加強(qiáng)(s3-14);⑷,第3、23層加強(qiáng)(s3-23);⑸,第3、11、23層加強(qiáng)(s3-11-23)。
2.3計(jì)算結(jié)果
�、� 變剪力墻厚度時(shí)剪力墻承擔(dān)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(dān)的總軸力均大幅增加,大于20%,增加百分?jǐn)?shù)逐漸減小。不設(shè)加強(qiáng)層時(shí),剪力墻厚度增加100mm,承擔(dān)的軸力平均增加22.05%;厚度增加200mm,承擔(dān)的軸力平均增加39.17%;厚度增加400mm,承擔(dān)的軸力平均增加63.55%。第3層設(shè)加強(qiáng)層后,剪力墻承擔(dān)的軸力隨墻厚增加的變化情況和不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)的變化相差不大,分別增加1.3%、2.67%和4.95%,加強(qiáng)層以下墻的軸力隨墻厚的增加影響逐漸減小。設(shè)第2、3道加強(qiáng)層與設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)相比的平均增長(zhǎng)幅度變化不大于2%。第3層和頂層加強(qiáng)時(shí),頂層剪力墻承擔(dān)的軸力隨墻厚的增加變化不大,當(dāng)墻厚增加100mm、200mm和400mm時(shí),軸力分別增加2.3%、1.88%和1.96%。
�、诓煌恢迷O(shè)置加強(qiáng)層時(shí)剪力墻承擔(dān)的軸力比較(圖3)
剪力墻厚為200mm時(shí),第1道加強(qiáng)層設(shè)在第3層時(shí),豎向荷載下剪力墻承擔(dān)的軸力,在加強(qiáng)層突然增大14.8%;加強(qiáng)層以下剪力墻軸力增大,但增大百分比顯著減小(<1.9%);加強(qiáng)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(shè)第2道加強(qiáng)層時(shí),第3層以下與只設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)相比剪力墻軸力增加小于1.0%;從第1道加強(qiáng)層以上到第2道加強(qiáng)層之間,剪力墻承擔(dān)的軸力比不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)的減小,減小百分比逐漸減小,但減小量低于只設(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)的減小量;第2道加強(qiáng)層處剪力墻軸力則突然增大7.66%;第2道加強(qiáng)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(qiáng)層設(shè)在頂層時(shí),第3層以下與第2道加強(qiáng)層設(shè)在第14層時(shí)的相比,變化小于0.5%;第3層以上墻軸力的變化與不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)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(shè)置共3道加強(qiáng)層時(shí),剪力墻承擔(dān)的軸力與不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)相比,加強(qiáng)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、400mm和600mm時(shí),墻軸力隨加強(qiáng)層的設(shè)置位置和層數(shù)變化規(guī)律同墻厚為200mm時(shí)的一樣,但受影響程度減小了。
�、垌旤c(diǎn)豎向位移的比較
由于結(jié)構(gòu)雙向?qū)ΨQ,故只選取對(duì)稱的1/4平面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,各點(diǎn)位置見圖1(b)。
剪力墻厚為200mm時(shí),第3層設(shè)加強(qiáng)層,各點(diǎn)位的頂點(diǎn)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(shè)加強(qiáng)層,點(diǎn)5豎向位移減小9.57%,點(diǎn)7豎向位移增大8.92%,變形差減小為1.18mm。
剪力墻厚為300mm時(shí),不設(shè)加強(qiáng)層時(shí),與墻厚為200mm時(shí)相比,頂層各點(diǎn)的豎向位移顯著減小,最大減小14.1%,,平均減小11.05%,但頂層的豎向變形差增大了17.2%;頂點(diǎn)豎向位移隨加強(qiáng)層的變化規(guī)律和墻厚為200mm時(shí)的相同,兩者相差不大(<1.0%)。
剪力墻厚為400mm時(shí),不設(shè)加強(qiáng)層時(shí),與墻厚為200mm時(shí)相比,頂層各點(diǎn)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(shí):不設(shè)加強(qiáng)層時(shí),與墻厚為200mm時(shí)相比,頂層各點(diǎn)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(jì)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;由于該結(jié)構(gòu)高78.3m,剪力墻厚度不會(huì)達(dá)到600mm,所以可以說(shuō)剪力墻厚度每增加100mm,其承擔(dān)的總軸力將增加20%左右。這說(shuō)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(qiáng),可以承擔(dān)更多的豎向荷載。同時(shí),隨著剪力墻厚度的增加,頂層各點(diǎn)的豎向位移也明顯減小。墻厚減小100mm、200mm、400mm時(shí),頂層各點(diǎn)的豎向位移差分別減小17.2%、23.6%和33.6%,這說(shuō)明剪力墻厚度的減小,使豎向變形更為均勻。
第3層設(shè)置為加強(qiáng)層后,豎向荷載下剪力墻承擔(dān)的軸力,在加強(qiáng)層突然增大(7.75～14.8%);加強(qiáng)層至底層剪力墻軸力增大,增大百分比顯著減小;加強(qiáng)層至頂層剪力墻軸力減小,減小百分比逐漸減小。第2道加強(qiáng)層設(shè)在第14層時(shí),2道加強(qiáng)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(shè)1道加強(qiáng)層時(shí)的減小量。頂層設(shè)有加強(qiáng)層時(shí),對(duì)頂層的墻軸力影響最大,最大可增大100.52%。總體來(lái)看,剪力墻軸力在加強(qiáng)層及其附近幾層變化最大。在加強(qiáng)層處顯著增大;在加強(qiáng)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(qiáng)層以上,軸力減小,減小百分比也逐漸減小。同時(shí),剪力墻厚度不變時(shí),隨加強(qiáng)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(shuō)明加強(qiáng)層有較大的抗彎剛度,減小了加強(qiáng)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形差的作用。從以上分析來(lái)看,加強(qiáng)層設(shè)在第3層和頂層對(duì)改善結(jié)構(gòu)的豎向變形最有利,再設(shè)第3道加強(qiáng)層時(shí)的變化已不大。
3結(jié)論
通過(guò)以上分析,對(duì)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(dān)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(shè)加強(qiáng)層僅對(duì)加強(qiáng)層及其附近幾層的受力影響較大:加強(qiáng)層處剪力墻軸力突然增大;加強(qiáng)層以下軸力增大,增大百分比逐漸減小;加強(qiáng)層以上軸力減小,減小百分比逐漸減小;
2.3設(shè)加強(qiáng)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(qiáng)層道數(shù)增加,豎向位移差的減小幅度減弱,故加強(qiáng)層不宜多設(shè);
2.4改善結(jié)構(gòu)的豎向受力性能和變形性能,應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾蛹袅Φ暮穸群驮O(shè)置加強(qiáng)層;
2.5加強(qiáng)層附近幾層內(nèi)力發(fā)生突變,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)加強(qiáng)層相連接的構(gòu)件予以加強(qiáng)。
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