基于巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建

徐藺

西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都611930

基于巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的模型構(gòu)建

徐藺

西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都611930

由巨型鋼框架、巨型支撐、鋼筋混凝土、伸臂桁架組成的巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)主要用于高層建筑。本文簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)體系，并利用ABAQUS軟件建立了有限元模型，從而進(jìn)行了本構(gòu)關(guān)系分析和網(wǎng)格劃分。

巨型鋼框架；核心筒；有限元模型

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口數(shù)量逐漸增多，造成城市用地局勢(shì)緊張，在越來越多的城市中，各種高層以及超高層建筑以節(jié)地的優(yōu)勢(shì)成為了建筑行業(yè)的熱門，其數(shù)量也在快速增長(zhǎng)。查閱相關(guān)資料，占地面積相同的情況下，相比于傳統(tǒng)的5層建筑，10層建筑節(jié)約用地28%，17層建筑節(jié)約用地48%，30層建筑節(jié)約用地40%。建筑物的層數(shù)越來越高，在對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先需要對(duì)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究。為了解決這一問題，組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中得到廣泛的應(yīng)用。巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)是最常見的組合結(jié)構(gòu)，它比混凝土結(jié)構(gòu)施工快、自重小、受力性能好，比單純的鋼結(jié)構(gòu)防火性能好、節(jié)省材料、抗風(fēng)效果好。巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于亞洲。統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國(guó)的高層建筑中，組合結(jié)構(gòu)在150m以上的建筑中占22%的比例，在200m以上的建筑中占44%，300m以上的建筑中占67%［1］。本文主要對(duì)巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，接著對(duì)其結(jié)構(gòu)模型和有限元模型的構(gòu)建進(jìn)行了相關(guān)的研究，最后對(duì)其性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

1　結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成

巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)是最近幾年才發(fā)展起來的，已經(jīng)被普遍應(yīng)用于高層建筑［2，3］。其組成部分分為：巨型鋼框架，巨型支撐，鋼筋混凝土，伸臂桁架。

巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的整體工作性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單結(jié)構(gòu)性能累積，其中各個(gè)組成部分分別發(fā)揮了不同的作用。巨型鋼框架由主次框架組成。位于主框架之間的次框架結(jié)構(gòu)由普通鋼結(jié)構(gòu)的梁柱組成，主要作用是輔助主框架、在地震中進(jìn)行緩沖以及縱向載荷的傳遞。主框架則由建筑四周的巨型柱和固定樓層所建造的巨型梁構(gòu)成。為了能將外框所承受的軸向力用來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。明確傳力路徑，整個(gè)結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)層由伸臂桁架和巨型梁構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高外框架的剛度，大多數(shù)建筑都采用巨型支撐結(jié)構(gòu)，在外框架的剛度達(dá)到一定程度時(shí)，減少巨型梁下面的次支撐柱的數(shù)量，在不影響框架剛度的情況下，樓層的面積得到大幅度的提高，建筑效果得到加強(qiáng)。

巨型鋼框架-混凝土核心筒組合結(jié)構(gòu)體系中，鋼框架的材料強(qiáng)度較高，能夠承受一定的縱向載荷，混凝土核心筒良好的抗側(cè)剛度使得組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗風(fēng)強(qiáng)度和抗震強(qiáng)度。

2　結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

為了能夠方便地對(duì)巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，參考上海市浦東金橋開發(fā)區(qū)的新金橋大廈［4］來建立三維模型。模型總高度為256m，結(jié)構(gòu)共有64層，每層高4m，在第16、32、48、64分別設(shè)置巨型梁和伸臂桁架，平面布置圖如圖1所示。設(shè)置六個(gè)模型，分別為普通巨型框架模型Ma，X巨型支撐模型Mx，V型巨型支撐模型Mv，去除Mx和Mv中巨型梁下層次柱后的Mxc，Mvc，模型的軸立圖如圖2。

圖1　平面布置圖Fig.1 Layoutof plan

圖2　模型軸立圖Fig.2Themodelw ith verticalaxis

巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中，外框架（包含支撐、梁、柱）的材料為純鋼，確定鋼材為Q235，密度ρ=7.85 g/cm3，彈性模量E（GPa）為200～210，泊松比v為0.25～0.33，抗拉強(qiáng)度σb/MPa為375～460。而核心筒采用混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土為C60，密度ρ=2400 kg/m3，泊松比v=0.2，在鋼筋的采用上，箍筋選擇HPB300，樓板和墻體采用HRB400。鋼筋混凝土與鋼梁的鉸接和剛接，鋼柱與鋼梁的剛接，分別選取模型MR、MJ與其相對(duì)應(yīng)。

3　有限元模型構(gòu)建

3.1本構(gòu)關(guān)系

在對(duì)材料的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析的時(shí)候，鋼材與混凝土的材料選擇同上文。鋼材的參數(shù)選擇如下：加載循環(huán)載荷，包辛格效應(yīng)下不考慮剛度退化，強(qiáng)度屈服比為1.2，在極限應(yīng)力下，極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。選擇雙線性動(dòng)力強(qiáng)化模型來對(duì)鋼材進(jìn)行模擬。

單軸受壓時(shí)，受壓損傷因子

單軸受拉時(shí)，受拉損傷因子

從受壓狀態(tài)過度到受拉狀態(tài)時(shí)，混凝土裂縫閉合的抗拉強(qiáng)度無法恢復(fù)，從受拉過度到受壓狀態(tài)的時(shí)候，混凝土裂縫閉合的抗壓強(qiáng)度可以恢復(fù)。

3.2單元網(wǎng)格劃分

對(duì)于有限元模型中的樓板、核心筒、墻體，選擇單元S4R來完成模擬。因?yàn)镾4R雙曲四節(jié)點(diǎn)薄殼單元適用于薄殼和厚殼兩種情況下，依靠沙漏和積分縮減來對(duì)剛度進(jìn)行操縱，能夠承受橫向剪力，在應(yīng)變的數(shù)值或者梯度較大的工程中長(zhǎng)采用S4R。采用S4R對(duì)墻體進(jìn)行模擬，能夠在較少的運(yùn)算時(shí)間內(nèi)得到更為精確的結(jié)果。

對(duì)于模型中的鋼柱、鋼梁、巨型梁以及伸臂桁架，采用三維一階梁B31單元進(jìn)行模擬，B31單元使用纖維束來構(gòu)成模型，包含剪切剛度，以及軸力和彎矩之間的耦合效果，在柱、梁等產(chǎn)生大的位移或者應(yīng)變的情況下能夠進(jìn)行正確計(jì)算。

對(duì)于鋼梁與墻體之間的連接，選擇Connector來完成模擬，Connector中包含了280個(gè)類似于球鉸連接的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于剪力墻的外圍約束構(gòu)件，為了直觀地在模型中體現(xiàn)出構(gòu)件的約束作用，選擇彈塑性殼單元來對(duì)其進(jìn)行模擬。模型中涉及到的所有配筋都按照實(shí)際配筋來進(jìn)行設(shè)置。

有限元模型中所有構(gòu)件選擇的單元如下表1所示。在有限元模型中劃分網(wǎng)格的時(shí)候，考慮到底部的裂縫和應(yīng)力較多，因此從下至上，底層的兩層的網(wǎng)格劃分是最精細(xì)的，第三層為過渡層，梁、樓板的精細(xì)度為一倍，墻體、柱的精細(xì)度為四倍。有限元模型的網(wǎng)格劃分見圖3。

3.3模態(tài)分析

對(duì)上文中提到的模型分別進(jìn)行模態(tài)分析，得到它們的前6階周期如下表2所示。

表2　各模型的前6階周期Table 2 First6 cycles of eachmodel

由上表可以看出，在Ma上添加了巨型支撐之后，模型的周期減少了很多，這說明設(shè)置巨型支撐能夠顯著提高結(jié)構(gòu)剛度，將M x、M v進(jìn)行對(duì)比可以看到，在剛度提高上，X型支撐要比V型支撐更為明顯，而由于巨型支撐在結(jié)構(gòu)外圍的四個(gè)立面上呈均勻?qū)ΨQ分布，能夠大幅度提高扭轉(zhuǎn)剛度，所有基本周期比Ma較少了15%，第一扭轉(zhuǎn)周期降低了37%。在模型M xc和Mvc中，減掉了巨型梁下層次柱之后，扭轉(zhuǎn)周期變化較小，平動(dòng)周期有明顯提升，而與Ma相比各階周期比較小，這說明在只有巨型支撐也能提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。

3.4結(jié)構(gòu)側(cè)移分析

用有限元分析軟件對(duì)各模型在地震情況下X方向的樓層位移以及層間位移角，得到變化曲線如圖4，頂層位移以及最大層間位移角如表3所示。

由圖4以及表3可以看出，在建筑高度的方向上，每個(gè)模型的變形曲線均為彎剪力變形，X型巨型支撐控制結(jié)構(gòu)側(cè)移的能力最強(qiáng)，倒V型的功能是X型的一半。沒有巨型梁下層柱之后，結(jié)構(gòu)的總側(cè)移量增大。通過圖3可知，最大層間位移角在各模型中都位于中上樓層處，Ma加強(qiáng)層的層間位移角最大。可以看出設(shè)置了巨型支撐的結(jié)構(gòu)能夠更好的緩解層間位移角的突變。

4　結(jié)論

巨型鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)以其成本低，施工快，結(jié)構(gòu)剛度好等優(yōu)點(diǎn)被普遍應(yīng)用與我國(guó)的高層建筑中。本文以新金橋大廈為參考，對(duì)結(jié)構(gòu)中所用材料進(jìn)行選擇，建立結(jié)構(gòu)模型。利用ABAQUS軟件建立有限元模型。最后，對(duì)該模型的模態(tài)和結(jié)構(gòu)側(cè)移進(jìn)行分析可知，設(shè)置巨型鋼框架之后，結(jié)構(gòu)的整體剛度提高了，層間位移角的突變得到了緩解。巨型鋼框架-混核心筒結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展還在起步階段，國(guó)外很少采用這種技術(shù)，研究工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際應(yīng)用，因此本文的研究工作在理論上提供了一定的參考價(jià)值。

［1］徐培福，王翠坤，肖從真.中國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展與展望［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（9）：28-32

［2］薛建陽(yáng).鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007

［3］聶建國(guó).鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)原理與實(shí)例［M］.北京：科學(xué)出版社，2009

［4］編委會(huì).世界建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精品選：中國(guó)篇［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001

The Establishment of the Model of Giant Steel Frame-Concrete Tube Structure

XU Lin
XHUUniversity ofArchitecture and Civil Engineering，Chengdu 611930，China

The structure of the giant steel frame-concrete tube constituted w ith some giant steel frames，giant supports，reinforced concretes and outrigger trussesmainly used to high-rise buildings.This paper resumed its structural system and established a finite elementmodelby ABAQUS software and then analyzed the constitutive relation and divided the grids.

Giantsteel frame；core tube；finiteelementmodel

TV335

A

1000-2324（2016）04-0557-03

2016-01-05

2016-01-28

徐藺（1993-），男，四川瀘州人，本科，主要研究方向?yàn)橥聊竟こ?E-mail：xihuaxulin@163.com