大長(zhǎng)寬比筒中筒結(jié)構(gòu)中布置剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響

靳 泰

(山西建工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030027)

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大長(zhǎng)寬比筒中筒結(jié)構(gòu)中布置剪力墻對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響

靳 泰

(山西建工設(shè)計(jì)院，山西 太原 030027)

采用MIDAS GEN有限元軟件，建立了計(jì)算三個(gè)大長(zhǎng)寬比的筒中筒結(jié)構(gòu)模型，分析了剪力墻的布置和數(shù)量對(duì)大長(zhǎng)寬比筒中筒結(jié)構(gòu)的層間位移角、剪力滯后效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等受力性能的影響，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。

剪力墻，筒中筒，層間位移角，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市土地資源的日趨緊張，平面狹長(zhǎng)的地塊越來越多，大長(zhǎng)寬比的建筑物也隨處可見，這就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們帶來很大的挑戰(zhàn)。如何滿足長(zhǎng)寬比較大時(shí)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)受力性能指標(biāo)，是設(shè)計(jì)師們需要著手解決的問題。

土地資源的限制迫使建筑向更高的高度發(fā)展，筒體結(jié)構(gòu)成為高層、超高層建筑的首選，筒中筒結(jié)構(gòu)在其中占據(jù)著舉足輕重的地位。對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的筒中筒結(jié)構(gòu)，其在Y方向上的抗側(cè)剛度天生較弱，如何滿足結(jié)構(gòu)在小震下的層間位移角是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的方法有很多，包括增加構(gòu)件截面、設(shè)置剛性層、布置屈曲約束支撐等。布置剪力墻也是增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度效果較為明顯的一種方法。由于剪力墻的布置主要目的是為了減小結(jié)構(gòu)的Y向?qū)娱g位移角，對(duì)結(jié)構(gòu)體系影響較小，因此可認(rèn)為結(jié)構(gòu)體系仍然是筒中筒結(jié)構(gòu)體系。分析長(zhǎng)寬比較大的筒中筒結(jié)構(gòu)剪力墻布置對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，是本文的主要研究?jī)?nèi)容。

1 計(jì)算模型

本文采用MIDAS GEN有限元分析軟件建立長(zhǎng)寬比為3的三個(gè)筒中筒結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1號(hào)模型為初始模型，結(jié)構(gòu)平面長(zhǎng)86.4 m，寬28.8 m，長(zhǎng)寬比是3。外框筒邊柱截面為1 300 mm×600 mm，角柱截面是∟1 300 mm×1 300 mm×600 mm×600 mm，使用任意截面進(jìn)行定義，Asy=Asz=1 m2，Ixx=0.144 m4，Iyy=Izz=0.155 893 m4，窗裙梁截面是400 mm×1 000 mm，開洞率小于0.6，滿足規(guī)范要求。核心筒外墻厚度為600 mm，內(nèi)墻厚度是350 mm，洞口尺寸是1 200 mm×2 300 mm，樓面梁高度分別為800 mm和700 mm，樓板厚度是130 mm。

2號(hào)和3號(hào)模型在1號(hào)模型的基礎(chǔ)上布置了剪力墻，2號(hào)模型是4道，3號(hào)模型是8道。剪力墻截面長(zhǎng)度是7 000 mm，截面厚度是350 mm。

各模型層結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2 層間位移角計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，各模型小震下的層間位移角數(shù)值如表2所示。

表2 層間位移角

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，模型在布置了剪力墻之后，Y方向的層間位移角迅速減小，且剪力墻布置的數(shù)量越多，層間位移角減小的越多。對(duì)于長(zhǎng)寬比較大的結(jié)構(gòu)，布置剪力墻對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度效果非常明顯。當(dāng)平面布置條件允許時(shí)，布置剪力墻可以成為解決長(zhǎng)寬比較大的筒中筒結(jié)構(gòu)一個(gè)方向抗側(cè)剛度較弱問題的方法，但這并不是說剪力墻布置的越多越好。剪力墻布置太多，一是影響建筑使用功能的正常發(fā)揮，二是過多的剪力墻影響結(jié)構(gòu)體系的判定，筒中筒結(jié)構(gòu)變成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，尤其是在一些超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)變得尤為復(fù)雜。

3 對(duì)剪力滯后效應(yīng)的影響

高層建筑中，軸力在角柱較大，到了中部，柱子的軸力逐漸減小，這就是剪力滯后效應(yīng)。筒中筒結(jié)構(gòu)由于其密柱深梁的布置形式，其剛度特別大，剪力滯后效應(yīng)也要比其他類型的結(jié)構(gòu)體系要明顯。剪力滯后效應(yīng)是由于翼緣框架中梁的剪切變形和梁柱的彎曲變形造成的[1]，由于剪力滯后效應(yīng),降低了結(jié)構(gòu)的剛度，削弱了結(jié)構(gòu)的整體空間工作性能，也浪費(fèi)了材料。

根據(jù)剪力滯后效應(yīng)的概念，定義“剪力滯后值”為量化剪力滯后效應(yīng)的參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

各模型計(jì)算的剪力滯后值如表3所示。

表3 剪力滯后值

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，1號(hào)模型的剪力滯后值最大，說明剪力滯后效應(yīng)最明顯；2號(hào)模型布置了4道剪力墻，剪力滯后值變小了；3號(hào)模型布置了8道剪力墻，剪力滯后效應(yīng)變得更小了，說明布置了剪力墻后，將核心筒和外柱連接了起來，迫使中柱能夠更加充分地參加結(jié)構(gòu)的整體彎曲變形，使得翼緣框架各柱的變形變得更加均勻，筒中筒結(jié)構(gòu)的整體工作性能獲得了增強(qiáng)。從減小剪力滯后效應(yīng)的效果來看，將剪力墻布置在結(jié)構(gòu)平面中部效果更好，這是因?yàn)橹兄妮S力更小，剪力墻布置在中部更能發(fā)揮中柱的材料性能，但這樣布置對(duì)于減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不利。

4 對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響

《高規(guī)》對(duì)于筒中筒結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比做出了明確規(guī)定：矩形平面的長(zhǎng)寬比不宜大于2[2]。規(guī)范作出這樣的規(guī)定，是為了防止由于結(jié)構(gòu)平面過于狹長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大，從而引起結(jié)構(gòu)的剪切脆性破壞。3個(gè)模型中剪力墻的布置也考慮了這方面的問題，通過將剪力墻布置在結(jié)構(gòu)平面的兩側(cè)，增強(qiáng)了周邊構(gòu)件的剛度，使質(zhì)心與剛心盡量重合，減小偏心率，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的量化指標(biāo)主要是周期比和位移比。周期比是結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)振型周期與第一平動(dòng)振型周期的比值，側(cè)重反映結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度的關(guān)系。位移比是結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的水平最大位移與樓層平均位移的比值，是考察結(jié)構(gòu)實(shí)際扭轉(zhuǎn)大小的量值。3個(gè)模型的周期比和位移比如表4所示。

表4 周期比與位移比

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，隨著剪力墻的布置，模型的周期比逐漸增加，模型的位移比卻出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。說明布置了剪力墻后，結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗側(cè)剛度都得到了加強(qiáng)，但是抗扭剛度加強(qiáng)的幅度要小于抗側(cè)剛度加強(qiáng)的幅度，導(dǎo)致平動(dòng)周期的減小程度大于扭轉(zhuǎn)周期的減小程度，使得周期比變大；但由于布置剪力墻加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，限制了扭轉(zhuǎn)位移，減小了偏心率，結(jié)構(gòu)的位移比反而減小了。因此設(shè)計(jì)師在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中如采用布置剪力墻來增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，需注意周期比與位移比的變化，同時(shí)，也要限制剪力墻布置的數(shù)量，不能布置太多。

5 結(jié)語(yǔ)

通過以上3個(gè)有限元模型的計(jì)算，不難看出布置剪力墻對(duì)于增加大長(zhǎng)寬比筒中筒結(jié)構(gòu)Y方向抗側(cè)剛度的有效性，但是需要注意的是剪力墻的布置不能影響建筑的正常使用功能。結(jié)構(gòu)中布置了剪力墻后，減小了結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)，但將剪力墻布置在結(jié)構(gòu)平面的兩側(cè)對(duì)于剪力滯后效應(yīng)的減小效果不大。同時(shí)，剪力墻的布置增大了周期比，減小了位移比，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中需要考慮這方面的影響，避免過多的布置剪力墻。

[1] 清華大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，天津大學(xué).混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The mechanics performance analysis of tube-in-tube structure of large length-width ratio by arrangement of shear walls

Jin Tai

(ShanxiConstructionEngineeringDesignInstitute,Taiyuan030027,China)

In this article, three structure models of tube-in-tube structure of large length-width ratio are built by the finite element software MIDAS GEN. The mechanics performance influence from the arrangement and amount of shear walls to tube-in-tube structure of large length-width ratio is analyzed, including story drift angle， shear lag effect， torsional effect etc. And corresponding conclusions are drew.

shear wall, tube-in-tube structure, story drift angle， torsional effect

1009-6825(2017)17-0051-03

2017-03-15

靳 泰(1983- )，男，碩士，助理工程師

TU375

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