柱網(wǎng)參數(shù)對(duì)框架核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

張星 鄒仁華 陳誠(chéng)

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054)

柱網(wǎng)參數(shù)對(duì)框架核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

張星 鄒仁華 陳誠(chéng)

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054)

為了探究不同柱網(wǎng)尺寸對(duì)框架核心筒結(jié)構(gòu)靜力彈塑性能的影響，對(duì)某一高度為93.6 m的框架核心筒模型進(jìn)行了靜力彈塑性分析，研究了在不同柱網(wǎng)參數(shù)下，該框架核心筒結(jié)構(gòu)的受力情況，并且基于所得出的研究數(shù)據(jù)，給出了優(yōu)化建議，同時(shí)分析了該框架核心筒結(jié)構(gòu)的基底剪力與頂點(diǎn)側(cè)移曲線、極限層間位移角、塑性鉸分布以及地震傾覆力矩，探究了采用不同柱網(wǎng)參數(shù)時(shí)，其抗震性能的差異。

框架核心筒結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)參數(shù)，靜力彈塑性分析，抗震性能

框架核心筒，是外圍由梁和柱構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，而中間為筒體結(jié)構(gòu)的一種受力體系。目前，國(guó)內(nèi)外有許多著名的建筑物或構(gòu)筑物都采用這一結(jié)構(gòu)形式，如紐約世貿(mào)中心、上海太平金融大廈等。

框架核心筒結(jié)構(gòu)因其內(nèi)部空間分割靈活，整體穩(wěn)定性好，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到良好的抗震性能，故而成為高層建筑常用的結(jié)構(gòu)形式之一［1］。由于影響框架核心筒結(jié)構(gòu)受力性能的因素眾多，為了使高層建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)具有更好的建筑功能和受力性能，設(shè)計(jì)者們一直在探索如何改變相關(guān)參量，從而使該結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能或經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得以最優(yōu)化。之前學(xué)者的研究主要集中在層高、連梁跨高比、核心筒布置、支撐形式等變化時(shí)結(jié)構(gòu)受力性能的差異情況［2-5］，而對(duì)柱網(wǎng)參數(shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究較少。本文利用由中科院編制的PKPM軟件，對(duì)不同柱網(wǎng)參數(shù)下框架核心筒結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行了靜力彈塑性分析。

1 有限元模型

本文建立了5個(gè)框架核心筒結(jié)構(gòu)三維模型。模型層高均為3.9 m，層數(shù)為24層，建筑總高度為93.6 m，核心筒尺寸為15m× 15 m，核心筒外墻與外框架柱間的中距為10 m。5個(gè)模型采用不同的柱網(wǎng)參數(shù)，外框架柱距分別為8.75 m，7 m，5 m，4.375 m，3.5 m，梁、柱截面尺寸依次隨柱距的減小而等比例地減小，分別為400 mm×800 mm～150 mm×300 mm以及1 500 mm× 1 500 mm～600 mm×600 mm之間不等。場(chǎng)地類別為I0類，場(chǎng)地土特征周期為0.2 s，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，柱和剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，梁為C40，縱向鋼筋選用HRB400，箍筋為HRB335，核心筒厚度為800 mm。各模型結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)見表1。

表1 各模型性能參數(shù)

2 靜力彈塑性分析

通過對(duì)不同柱網(wǎng)參數(shù)下的5個(gè)模型進(jìn)行靜力彈塑性分析，分別從基底剪力與頂點(diǎn)側(cè)移曲線、極限層間位移角以及塑性鉸分布等三個(gè)方面對(duì)其作出對(duì)比，得出相關(guān)結(jié)論。

2.1 基底剪力與頂點(diǎn)位移對(duì)比分析

圖1為5個(gè)模型在倒三角形側(cè)向力分布模式下的基底剪力與頂點(diǎn)位移曲線圖。在結(jié)構(gòu)未發(fā)生屈服時(shí)的彈性階段，各模型的P—Δ曲線基本相同且都呈線性增長(zhǎng);當(dāng)結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入塑性屈服階段時(shí)，5個(gè)模型的P—Δ曲線呈現(xiàn)出一些差異:在相同的基底剪力下，隨著外框架柱距的減小，頂點(diǎn)側(cè)移逐漸增大，結(jié)構(gòu)的剛度隨之減小。由圖1可以看出，在同一基底剪力作用下，當(dāng)采用模型1 (即外框架柱距為8.75 m)時(shí)，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移量最小，此時(shí)結(jié)構(gòu)的總體剛度最大;當(dāng)采用模型5(即外框架柱距為3.5 m)時(shí)，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移量最大，此時(shí)結(jié)構(gòu)的總體剛度最小。

圖1 基底剪力—頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線

2.2 層間變形對(duì)比分析

圖2顯示了各模型層間位移角的分布情況。從圖中可以看出，5個(gè)模型的曲線基本重合，層間位移角的分布也近似相同。在總層數(shù)的1/3(即8層)以下時(shí)，隨著層數(shù)的增加，層間位移角以較快的趨勢(shì)逐漸增大;而當(dāng)超過8層之后，層間位移角就不再有較大幅度地增長(zhǎng)，而是穩(wěn)定在一個(gè)較為固定的值附近，甚至在更高處還有微小的下降趨勢(shì)。由此可見，柱網(wǎng)尺寸的差異并未對(duì)結(jié)構(gòu)的層間位移角造成顯著的影響。

圖2 結(jié)構(gòu)層間位移角曲線

2.3 塑性鉸分布發(fā)展規(guī)律對(duì)比分析

圖3為推覆過程完成后，各模型在最終階段時(shí)的塑性鉸分布情況。5個(gè)模型最初的塑性鉸都產(chǎn)生于核心筒中部，之后逐漸向下部和上部延伸。隨后，外框架梁端也逐漸開始出現(xiàn)塑性鉸，最初分布于上半部分樓層(即12層～24層之間)附近，之后逐漸向下半部分樓層擴(kuò)散，在此期間核心筒中的塑性鉸仍在繼續(xù)發(fā)展。當(dāng)?shù)竭_(dá)某一極限時(shí)，結(jié)構(gòu)最終發(fā)生破壞。

圖3 各模型最終狀態(tài)時(shí)的塑性鉸分布

在外框架剛剛出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，此時(shí)模型1的核心筒部分塑性鉸最少，隨著柱距的減小而逐漸增加，模型5的核心筒部分塑性鉸最多;在最終破壞狀態(tài)時(shí)，模型1整體的塑性鉸數(shù)量最少，同樣隨著柱距的減小而逐漸增加，模型5整體的塑性鉸數(shù)量最多，因此可以最大限度地耗散地震作用的能量。

2.4 底層框架柱地震傾覆力矩對(duì)比分析

分別對(duì)以上5個(gè)模型進(jìn)行SATWE分析，從所得出的結(jié)果文件易知，當(dāng)采用不同的柱網(wǎng)參數(shù)時(shí)，在規(guī)定水平地震力作用下，框架核心筒結(jié)構(gòu)底層柱的傾覆力矩相差甚遠(yuǎn)。隨著柱距增加、柱截面尺寸增大，其地震傾覆力矩顯著減小，地震傾覆力矩百分比亦逐漸減小。具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各模型底層框架柱地震傾覆力矩及其百分比

3 結(jié)語

1)在一定范圍內(nèi)，框架核心筒結(jié)構(gòu)當(dāng)采用大柱距及大梁柱截面(即大柱網(wǎng)尺寸)時(shí)，結(jié)構(gòu)的總體剛度較大;當(dāng)采用小柱距及小梁柱截面(即小柱網(wǎng)尺寸)時(shí)，結(jié)構(gòu)的總體剛度較小。2)柱網(wǎng)尺寸的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的層間位移角無顯著影響。3)相較于大柱網(wǎng)尺寸，結(jié)構(gòu)在小柱網(wǎng)尺寸下，外框架和核心筒的塑性鉸都可以得到更為充分地發(fā)展，因此具有較大的延性，耗能效果也更好。4)在相同的地震力作用下，大柱網(wǎng)的底層柱X，Y雙向地震傾覆力矩較小，傾覆力矩百分比亦較小;而小柱網(wǎng)的底層柱X，Y雙向地震傾覆力矩較大，傾覆力矩百分比亦較大，且呈現(xiàn)出規(guī)律的增長(zhǎng)之勢(shì)。5)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)在滿足相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮安全、適用、經(jīng)濟(jì)及美觀等因素，最終選定一個(gè)較為理想的柱網(wǎng)參數(shù)。

［1］ 陶振彬.框架核心筒外框梁局部缺失對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響［D］.青島:青島理工大學(xué)，2014.

［2］ 徐自國(guó).高層建筑鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)樓層層高變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究［D］.北京:中國(guó)建筑科學(xué)研究院，2013.

［3］ 徐曉珂，劉偉慶，王曙光，等.不同連梁跨高比框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，36(43):54-60.

［4］ 孫 丹，董鵬聰.框架核心筒的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2012(35):66-67.

［5］ 程 驥.框架—核心筒—伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系受力性能研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2012.

［6］ 張淑云，白國(guó)良，高志剛.高層組合框架—混凝土筒體混合結(jié)構(gòu)靜力數(shù)值分析［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1):36-40.

［7］ 宋 華.框架—核心筒結(jié)構(gòu)中框架柱的合理設(shè)計(jì)［J］.寧夏工程技術(shù)，2008(4):354-358.

［8］ 張 鵬.試析高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.中華民居，2013(36):25-27.

［9］ 洪婷婷.淺析框架—核心筒設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010，36(26):15-20.

［10］ 李 鋒.高層建筑框架—核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.建設(shè)科技，2010(16):92-93.

［11］ 楊秀娟，張永勝.基于抗震性能的框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸優(yōu)化選擇［J］.山西建筑，2010，36(26):61-62.

［12］ 段 瑾，劉東澤.框架核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2011(11):39-41.

［13］ 曾 聰，潘 文，陶 忠，等.高烈度地區(qū)混合框架核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能分析［J］.工程抗震與加固改造，2012(6): 14-18.

［14］ 劉陽冰，文國(guó)治，劉晶波.鋼—混凝土組合框架—RC核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2): 51-57.

［15］ S.Kiziltug，S.Kaya，O.Tarakci.Tube surfaces with type-2 Bishop frame of Weingarten types in E^3［J］.International Journal of Mathematical Analysis，2013(1-4):89-91.

［16］ R.Kamgar，R.Rahgozar.A simple approximatemethod for free vibration analysis of framed tube structures［J］.Structural Design of Tall and Special Buildings，2013，22(2):57-58.

The column parameters’effects on seism ic performance of frame core tube structure

Zhang Xing Zou Renhua Chen Cheng

(College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Based on the analysis of the static elastic-plastic performance of a 93.6-meter-high frame core tube structure，structural behaviors in different column parameters were studied in this article，in order to research the different effects on static elastic-plastic performances of a frame core tube structure when different column parameters are adopted，and an optimized suggestion was given basing on the result.By analyzing the frame core tube’s base shear-top story drift curves，ultimate story-drift angle，distribution of plastic hinge and seismic overturningmomentwith different column parameters，the seismic performance of the structure was discussed.

frame core tube structure，column parameters，static elastic-plastic analysis，seismic performance

TU973.23

A

1009-6825(2015)29-0036-02

2015-08-09

張 星(1991-)，男，在讀碩士; 鄒仁華(1970-)，男，副教授; 陳 誠(chéng)(1989-)，男，在讀碩士