不同斜交網格結構平面形式對斜交結構節點的變形影響研究

葉 海

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

斜交網格結構作為高層建筑的外筒結構，不僅外觀優美，其結構抗側能力也較好；斜交網格結構形式靈活多變，但對于斜交網格結構在結構形式上的理論研究還不夠完善，為了實現對斜交網格結構在平面形式和節點形式的優化設計提供理論依據，綜合研究斜交網格結構平面形式與斜交節點的相關性能是具有重要的意義的[1-6]。

目前，國內外對斜交網格結構在結構基本性能的研究上已經基本完善，但對于綜合斜交節點與平面形式之間相關的研究卻鮮有研究；劉成清、羅馨怡得到了斜交網格外筒在豎向荷載作用下不同斜交節點的連接形式對斜交結構外鼓的影響[7]，但在結構平面形式研究卻未有涉及；呂興遠考慮了在側向荷載作用下斜交節點連接方式對斜交結構的變形影響[8]，但沒有涉及結構平面形式上的研究；黃超、韓小雷等考慮了結構平面形式對斜交網格結構抗側性能的影響，但都主要基于斜交角度作為參數來研究，并未考慮到斜交節點連接方式的相關研究[9]。以上研究都對本文研究不同斜交網格平面形式對在不同節點連接形式下斜交網格結構的變形影響特點提供了依據。

研究斜交結構的平面形式、斜交節點對結構形式的設計選擇和節點的施工便利性具有一定的意義，從而達到在平面形式以及斜交節點的優化設計提供理論依據的目的。

1 模型建立

建立平面形式為四邊形、六邊形、十二邊形的筒中筒結構的有限元模型，模型的層高均為3.6 m，共30層，總高108 m，其模型從下至上內外筒斜柱采用方鋼管，其截面尺寸和材料均相同；其連系梁、主環梁、次環梁均采用工字型鋼，其截面尺寸和材料均相同，其斜柱與梁材料均采用Q345鋼材，結構底層支座處為固定端約束，環梁在斜柱節點處相交層稱為主環梁結構層，其余稱為次環梁結構層[10-11]，本文以保證平面形式為四邊形、六邊形、十二邊形的三種模型用鋼量基本相同，斜交角度基本相同，斜柱數相同來進行有效對比，故其不同平面形式的斜交結構建模數據如表1所示。

為了更好地研究節點對斜交網格結構整體性能的影響，排除結構板對斜交結構的節點約束作用，故本文所建立的簡易模型沒有結構板(圖1)[9-12]。

(b) 六邊形

(c) 十二邊形

由于以上三種斜交結構平面形式為對稱型，故可取結構平面形式為四邊形的三條線路，六邊形的兩條線路，十二邊形的一條線路來囊括其各自在荷載作用下每層最大側向位移和豎向位移，其每條線路由虛線標識(圖2)。

2 計算結果與分析

2.1 豎向荷載下結構變形

經過SAP2000有限元分析得到平面形式為四邊形、六邊形、十二邊形的斜交結構在豎向荷載和側向倒三角荷載作用下斜交網格結構模型的豎向位移和側向位移，通過劃分不同平面形式的位移線路，故可得其斜交結構在剛接情況下的側向位移如圖3。但為了更好地分析和研究，本文又將不同平面形式下分析的位移線路數據分別進行最大值包絡處理，其可分別得到結構在剛接、鉸接情況下的豎向位移和側向位移如圖4、圖5。

(a) 四邊形-1

(b) 四邊形-2

(c) 四邊形-3

(d) 六邊形-1

(e) 六邊形-2

(f) 十二邊形-1

圖3 剛接-側向位移

(a)剛接

(b)鉸接圖4 側向位移包絡圖

2.2 不同斜交節點連接形式下斜交外筒變形

由圖4可知，在豎向荷載的作用下，斜交網格結構整體變形形態基本相似。節點剛接時，其樓層側向位移呈凹凸規律，并無太大突變，平面形式為十二邊形與四邊形、六邊形時的斜交結構對比，可發現在平面形式為十二邊形時的結構下部樓層側向位移較大，在結構上部則反之；節點鉸接時，結構平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層側向位移大致呈凹凸規律，且在主環梁層都有位移突變增大，且結構平面形式為十二邊形較六邊形在第十層主環梁層位移突變大，在第二十層處位移突變則相較反之。

但對比三種平面形式下可以發現，其結構平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，且突變幅度較平均，與結構平面形式為六邊形和十二邊形時對比較小些。整體來講，無論斜交結構平面形式為何種形狀，其斜交網格結構在豎向荷載作用下，斜交節點為鉸接時的位移都大于斜交節點剛接時的位移。

由圖5可知，在豎向荷載的作用下，斜交結構整體變形形態基本相似，節點剛接時，結構樓層豎向位移相差甚小，平面形式為四邊形時，樓層豎向位移稍小；節點鉸接時，平面形式為六邊形和十二邊形時，其從下到上其樓層豎向位移逐漸增大，且在主環梁層都有位移突變增大。但對比三種平面形式下可以發現，其平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，樓層豎向位移忽大忽小，且位移突變幅度較與平面形式為十二邊形和六邊形時偏大。

2.3 側向倒三角荷載下結構變形

同理，可得其斜交結構在剛接情況下的側向位移如圖6，得到結構在剛接、鉸接包絡情況下的豎向位移和側向位移如圖7、圖8。

(a)剛接

(b)鉸接圖5 豎向位移包絡圖

圖6 剛接-側向位移

(a)剛接

(b)鉸接圖7 側向位移包絡圖

2.4 不同斜交節點連接形式下斜交外筒變形

由圖7可知，在側向倒三角荷載的作用下，斜交網格結構整體側向變形形態在結構平面形式為六邊形和十二邊形時相似。結構平面形式為四邊形時，其結構整體變形形態與其相差較大。節點剛接時，其結構平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層側向位移呈凹凸規律，并無太大突變。結構平面形式為四邊形時，結構從下到上其樓層側向位移逐漸增大，對比其樓層側向位移基本都大于結構平面形式為六邊形和十二邊形的情況下的側向位移，且樓層越高越大的多，并無位移突變；節點鉸接時，結構平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層側向位移大致呈凹凸規律，且在主環梁層都有位移突變增大，且結構平面形式為十二邊形較六邊形在第十層主環梁層位移突變較大，在第二十層處位移突變則相較反之。

但對比三種結構平面形式下可以發現，其平面形式為四邊形時，其位移突變幾乎沒有，且對比其它樓層側向位移，除了第十層主環梁位移突變處，其基本都大于結構平面形式為六邊形和十二邊形的情況下的側向位移。整體來講，無論斜交結構平面形式為何種形狀，其斜交網格結構在豎向荷載作用下，斜交節點為鉸接時的位移都大于斜交節點剛接時的位移。

(a)剛接

(b)鉸接圖8 豎向位移包絡圖

由圖8可知，在側向倒三角荷載的作用下，斜交網格結構整體豎向變形形態相似。節點剛接時，其樓層豎向位移相差甚小，且結構平面形式為四邊形時的樓層豎向位移偏小；節點鉸接時，結構平面形式為六邊形和十二邊形時，其樓層從下到上樓層豎向位移逐漸增大，且在主環梁層都有位移突變增大，但對比三種平面形式下可以發現，其結構平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，樓層豎向位移忽大忽小，且突變幅度與結構平面形式為十二邊形和六邊形時對比較大些。

3 結論

通過有限元軟件SAP2000建立斜交網格筒體結構模型，模擬其受力變形，得到如下結論：

(1)對比其不同結構平面形式下的斜交網格結構，在荷載作用下，斜交節點為鉸接時的豎向位移和側向位移都大于斜交節點剛接時的位移，除了在側向倒三角荷載作用下的側向位移其結構整體變形形態有較大區別，其它情況時，其結構整體變形形態基本相似。

(2)對比其不同結構平面形式下的斜交網格結構在節點鉸接時，在樓層發生位移突變增大，其結構平面形式為六邊形和十二邊形時，其主要的位移突變樓層在主環梁層；其結構平面形式為四邊形時，其位移突變樓層增多，突變幅度較平均。

(3)結構平面形式為四邊形時，在側向倒三角荷載作用下，對比其樓層最大側向位移基本都大于結構平面形式為六邊形和十二邊形時的側向位移，且樓層越高越大的越多，且無論在鉸接或剛接情況下都無樓層位移突變。

(4)對于不同結構平面形式的斜交網格結構而言，其結構平面形式越接近圓形，雖然其結構豎向變形有稍微增大，但在節點鉸接時，樓層的變形突變性小；雖然其在主環梁層剛接時結構側向變形較大，且在節點鉸接時主環梁層有較大的位移突變增大，但其余樓層的變形較小，位移突變樓層較少。