加強層對高層鋼框架 -支撐結構的影響

徐瑞御

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

對于高層建筑設計,水平力成為主要的控制指標,沿高度方向布置水平加強層是減小側向變形的有效手段,目前在世界各國得到了廣泛的重視和應用。水平加強層在國內首先應用于高層鋼結構,后在混凝土核心筒 -外框架結構中應用較多。目前,對于加強層的研究主要是針對混凝土結構,而高層鋼結構的較少。

本文利用有限元軟件SAP 2000進行三維建模,對帶水平加強層的鋼框架 -支撐結構進行了地震作用下的時程分析,得出了水平加強層在高層鋼結構中的作用機理。

1 計算模型

1.1 幾何尺寸

選擇結構剛度均勻且體型平面規則的框架 -支撐鋼結構,總高度 115.2m,32層,層高 3.6 m。結構的主要構件尺寸見表 1,平面布置見圖 1、圖 2。

圖1 標準層平面圖

1.2 結構荷載

圖2 加強層平面圖

結構恒載取 4.5 kN/m2,活載取 2 kN/m2。地震反應計算采用彈性時程分析法,8度抗震,設計地震分組為第一組,Ⅲ類場地。時程計算時選用的地震波有:EMCFAIRVIEW AVE 00波、PEL HOLLYWOOD STORAGE 90波、蘭州波 1。

1.3 加強層作用分析

為分析加強層的作用,采取下列加強層設置方案來進行比較,方案見表 2。

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2 地震作用下時程分析計算

2.1 自振周期分析

模態分析得到各方案的計算自振周期如表 3,通過自振周期的計算可以看到增加水平加強層,結構的自振剛度提高,結構的自振周期下降,隨著加強層數目的增加,自振周期下降幅度減慢。

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2.2 側向剛度

地震作用下,結構X向(東西向)的水平位移曲線如圖 3所示,層間位移曲線如圖 4所示。

圖3 結構 X方向的水平位移

圖4 結構 X方向層間位移

從圖 3和圖 4可以得到結論,加強層的設置可以有效地減小結構的側向位移,在結構加強層的位置,層間位移角減小。比較加強層數量對頂點側向位移的影響,列表如表 4。可以看到隨著加強層增加,頂點位移減小,但趨勢逐步變慢,過多的加強層對位移影響小。比較方案 2和方案 6,同樣是一道加強層,方案 6對側向位移貢獻小,可見加強層設置在頂層對結構整體位移影響小,但對頂層的層間位移有很好的約束作用,對于鞭梢效應大的結構可以考慮此種方案。

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2.3 加強層對外框架柱剪力和彎矩的影響

對彎矩和剪力的影響集中在加強層的位置,此處內力突變,外框柱的彎矩圖見圖 5。

圖5 各種加強層設置方案下外框架柱彎矩圖

設置水平加強層后,位于水平加強層處和與水平加強層相連的上層處外框架柱的彎矩發生突變,其承受的彎矩大大

增加。設置水平加強層數量和剛度的不同,外框架柱彎矩突變的幅度也不相同。加強層的數量越多,外框架柱彎矩突變的幅度越小。內外框架的剪力圖和彎矩圖基本類似,均為加強層的位置突變。

2.4 加強層對內筒和外框架剪力分配的影響

加強層位置,外框柱剪力增大,使得內框筒的水平剪力減小,見圖 6。從圖 6可以看到,加強層有效的為內筒和外框架提供了內力重分布,使得內筒承受的剪力部分轉移到外柱上,使得外柱不僅僅承受軸力,還要分擔一定的剪力,這對外框柱是不利的。

圖6 內筒 -外框的剪力分布

3 結 論

(1)設置加強層可以使結構的自振周期減小。增加加強層的數目可以使結構自振周期不斷減小,隨著加強層數目的增加這種減小的效果逐漸減弱。

(2)加強層能有效控制結構的側向位移。加強層數目越多結構側移就越小,每增設一個加強層結構側移就相應減小,但是隨著水平加強層數目的增加,結構側移減小的效果逐漸減弱。對結構側移減小量的效果來說,加強層不宜設置太多,以設置 1～2個效果最好,一般不超過 4個。

(3)設置水平加強層后,位于水平加強層處和與水平加強層相連的上層處外框架柱的剪力和彎矩發生突變,其承受的剪力和彎矩大大增加,而與水平加強層相連下層的剪力和彎矩卻一定程度的減小。加強層位置結構剛度發生突變,應力集中。加強層的數量越多,外框架柱剪力和彎矩突變的幅度越小,有利于抗震。故從抗震的角度考慮,應適當增加水平加強層的數量以減小結構內力的突變。

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