斜交網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度影響分析

廖文翔， 何廣杰

(西南交通大學(xué)， 四川成都 610031)

網(wǎng)格筒體系是由剪力墻圍成的核心內(nèi)筒和斜交網(wǎng)格形成的外筒以及樓板連接形成筒中筒的新型結(jié)構(gòu)體系[1-3]。其中斜交網(wǎng)格外筒是由斜柱和環(huán)梁構(gòu)成的，相比傳統(tǒng)的框架外筒更具有適應(yīng)高烈度地震區(qū)的能力，優(yōu)于斜柱的拉壓剛度遠(yuǎn)大于抗彎剛度，因此斜柱不僅能夠提供較大水平抗側(cè)剛度，同時(shí)也提供了較大的抗彎剛度，在高層以及超高超限的B類建筑的建造中具有非常大的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比斜交結(jié)構(gòu)的受力性能，傳力路徑和機(jī)理等都存在著顯著的差異。外筒的斜柱將樓層的豎向重力荷載和橫向水平荷載都轉(zhuǎn)化成為了斜柱的拉壓軸力向著下層傳遞，因此斜交結(jié)構(gòu)不僅有著很強(qiáng)的空間協(xié)同工作的性能，同時(shí)斜柱之間必須要傳力可靠。斜柱的水平抗側(cè)剛度大于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至有可能超過核心筒體。而且這類新型結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比在進(jìn)入彈塑性后體系的屈服機(jī)制也不同，抗震防線在連梁屈服后的第二階段內(nèi)力重分布也發(fā)生了較大的變化，因此了解此類結(jié)構(gòu)的剛度分配，分析體系的抗側(cè)剛度以及塑性發(fā)展趨勢，探討體系的抗震屈服機(jī)制是進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)的必要前提。

目前我國的斜交網(wǎng)格新型結(jié)構(gòu)體系多建造在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)并且處于抗震設(shè)防高烈度的區(qū)域，建筑結(jié)構(gòu)的安全是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。但是，目前該類新型結(jié)構(gòu)體系既沒有經(jīng)受大震的考驗(yàn)，也沒有十分豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)理論遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。因此本文在控制外部框筒用鋼量相同和內(nèi)部剪力墻不變的條件下將斜交網(wǎng)格核心筒和傳統(tǒng)框架核心筒在地震作用下的優(yōu)劣表現(xiàn)形成對比，分析新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。并且通過改變斜柱水平相交角度判斷該類參數(shù)對結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)剛度變化影響，探討這類新型體系結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下的塑性鉸發(fā)展趨勢有著重要的意義，同時(shí)這也是結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)重要的前提。

1 分析模型及方法

1.1 分析模型

本文參考實(shí)際的工程，并結(jié)合斜交網(wǎng)格核心筒的受力特征[4-6]和本文的研究目的設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)布置規(guī)則并帶有角柱的斜交網(wǎng)格核心筒結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)筒為剪力墻圍成的核心筒，混凝土強(qiáng)度等級為C60，剪力墻截面自下而上均采用500 mm的墻厚，連梁的厚度同所在樓層的剪力墻厚度，連梁高度為1 200 mm；外筒斜柱為圓鋼柱，直徑根據(jù)同直框架的用鋼量相等原則進(jìn)行換算，并且直框架核心筒圓鋼柱直徑取為1 200 mm，角柱采用1 500 mm；內(nèi)外筒之間的連系梁采用型號為600 mm×200 mm×11 mm×17 mm的工字鋼，外筒環(huán)梁采用型號為800 mm×300 mm×20 mm×40 mm的工字鋼，鋼材強(qiáng)度均采用Q345。不同模型的剪力墻內(nèi)筒的墻厚和墻肢以及布置均不變。內(nèi)外筒之間的連系梁、交叉斜柱之間以及斜柱與環(huán)梁之間均采用剛性連接，為了簡化計(jì)算樓板采用剛性樓板假定。同時(shí)由于常見高層建筑結(jié)構(gòu)體系的高寬比較大，為了更好地發(fā)揮內(nèi)外筒體之間共同工作的空間能力，因此在不同模型中均選用高寬比為6的斜交網(wǎng)格核心筒體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用3.6 m的層高，共45層，總高度為162 m，外筒體為邊長30 m的正方形外筒，內(nèi)筒為15 m的正方形內(nèi)筒。為對比斜交網(wǎng)格體系和傳統(tǒng)框架體系的抗震性能，以及不同斜交角度下對抗側(cè)剛度的影響，通過在不改變剪力墻核心筒布置、角柱以及環(huán)梁截面的基礎(chǔ)上，控制每層斜柱的用鋼量同直框架柱相等的原則進(jìn)行換算，來確定不同斜交角度的模型采用不同的斜柱截面尺寸。所有斜柱角度模型的斜柱截面經(jīng)過驗(yàn)算均滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外網(wǎng)筒的布置形式如圖1所示，除斜交角度外，其余參數(shù)均保持不變。

圖1 不同斜柱角度網(wǎng)格布置形式

1.2 分析方法

本文所用模型采用GB 50009-2010《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》設(shè)置結(jié)構(gòu)的豎向重力荷載和水平風(fēng)荷載以及地震作用。其中樓板與梁柱構(gòu)件的自重由SAP2000有限元軟件根據(jù)材料的截面設(shè)定自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。考慮到樓層板面的建筑做法以及外墻和隔墻的作用取樓面均布恒荷載為3.5 kN/m2，樓面活荷載按普通辦公樓設(shè)為2 kN/m2。風(fēng)荷載設(shè)定按B類地面粗糙度，體形系數(shù)取為0.5，基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04，地震作用按照GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定取8度二類場地，地震分組為二組，設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g，特征周期為0.4 s，考慮到填充墻的影響周期折減系數(shù)取0.9，模型分析方法采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行彈性分析計(jì)算，其中結(jié)構(gòu)的質(zhì)量源設(shè)定為1.0×恒載(包括自重)+0.5×活載。分析計(jì)算過程中考慮上述荷載的組合效應(yīng)，采用規(guī)范上的地震設(shè)計(jì)組合為：1.2×(恒荷載+0.5×活荷載)+1.3×地震作用+1.4×風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行統(tǒng)一的提取分析。分析程序采用SAP2000，其中剪力墻采用分層殼單元模擬，剪力墻中的約束混凝土采用程序自帶的Mander約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線本構(gòu)關(guān)系[7]，斜柱、環(huán)梁以及連系梁均采用框架單元進(jìn)行模擬，其中鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用二折線的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)力應(yīng)變曲線本構(gòu)關(guān)系。

2 分析結(jié)果對比

模型使用振型分解反應(yīng)譜的方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不同模型斜柱的直徑按照用鋼量相等的原則進(jìn)行設(shè)置。在改變斜交角度后，通過有限元分析計(jì)算后得到結(jié)構(gòu)前三階自振周期如下表1所示，由表1可以看出模型的前兩階振型分別以X向和Y向平動(dòng)為主，第三振型為扭轉(zhuǎn)。不同斜交角度斜交結(jié)構(gòu)體系的第一自振周期均小于傳統(tǒng)的框架剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)，并在70 °附近自振周期達(dá)到最小值，此時(shí)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度最大。這說明在高烈度地區(qū)斜交結(jié)構(gòu)有更好的適應(yīng)性和抗震能力。結(jié)構(gòu)斜交角度在35 °附近時(shí)，抗震性能表現(xiàn)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)差，這是因?yàn)殡S著斜交角度的減小，斜柱的軸向剛度在豎向的分量也在減小，因此結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度總體呈減小的趨勢導(dǎo)致結(jié)構(gòu)周期變大。除了35 °外斜交網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)都比框筒結(jié)構(gòu)優(yōu)異。并且斜交網(wǎng)筒體結(jié)構(gòu)均有著更好的抗扭剛度，隨著斜交角度的增大，在55.2 °附近，第三自振周期達(dá)到最小，此時(shí)斜交結(jié)構(gòu)的抗扭剛度達(dá)到最大。

由圖2可以看出頂層位移和最大層間位移角在斜交角為70.8 °附近時(shí)達(dá)到最小值。這說明高寬比大于6.0時(shí)，帶有角柱的斜交結(jié)構(gòu)在70.8 °附近時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。此時(shí)抗側(cè)剛度最大，結(jié)構(gòu)在相同地震作用下頂點(diǎn)位移最小，同時(shí)最大層間位移角也為最小。并且當(dāng)斜交角度大于55 °時(shí)，斜交結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度均優(yōu)于傳統(tǒng)框架剪力墻核心筒。當(dāng)在35 °附近時(shí)，斜交結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和最大層間位移角均大于傳統(tǒng)框架剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)，此時(shí)斜交外筒結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去了應(yīng)有的抗側(cè)優(yōu)勢。

表1 結(jié)構(gòu)前三階自振周期 s

(a)頂層位移

(b)最大層間位移角圖2 不同斜交角度頂層位移及最大層間位移角

3 結(jié)論

(1)在用鋼量相同的前提下，斜交角度大于55 °的斜交結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大于傳統(tǒng)的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，所有的斜交網(wǎng)格核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)都要比框架核心筒結(jié)構(gòu)優(yōu)異。這意味著在頻遇地震作用下，斜交結(jié)構(gòu)的變形要小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，斜交結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能和抵抗結(jié)構(gòu)變形的能力。剪力墻核心筒仍然是在彈性階段抵抗地震力的關(guān)鍵構(gòu)件，當(dāng)處于35～55 °之間時(shí)，抗側(cè)剛度小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這說明斜柱扭曲的程度越大，抗側(cè)剛度降低的越加明顯。

(2)分析結(jié)果表明對于45層帶有角柱的斜交網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)，斜交最優(yōu)角度在70 °附近，此時(shí)斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)彈性階段的抗震性能最好，并且最大層間位移角和最大頂層位移均為達(dá)到最小。并且當(dāng)在55.2 °附近時(shí)，結(jié)構(gòu)的第三周期最短，此時(shí)斜交結(jié)構(gòu)的抗扭剛度最大。

(3)斜交結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗側(cè)剛度要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的框架核心筒體結(jié)構(gòu)，這有利于改善不規(guī)則結(jié)構(gòu)的位移比，同時(shí)在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)該主要考慮斜交結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)由強(qiáng)度控制而不是變形控制。斜交結(jié)構(gòu)在提高抗側(cè)剛度的同時(shí)，其在塑性階段的延性也相應(yīng)的降低，因此斜交結(jié)構(gòu)在塑性階段應(yīng)該以改善結(jié)構(gòu)的變形能力為主。