某電梯試驗塔結(jié)構(gòu)剛度突變對策研究

陳春暉，徐其功，魏還俊，鄭昊

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司，廣州 510010）

1 引言

高層建筑中，由于連梁兩端墻肢的相對變形會引起連梁兩端的豎向位移差，導(dǎo)致在連梁內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)力。在設(shè)計時應(yīng)采取降低連梁內(nèi)力的各種措施，例如，增大剪力墻的洞口寬度，在連梁中部設(shè)水平縫[1]，設(shè)置斜向交叉暗撐配筋連梁[2]、型鋼-混凝土混合連梁[3]，在計算內(nèi)力和位移時，對連梁剛度進(jìn)行折減，對局部內(nèi)力過大層的連梁進(jìn)行調(diào)整等，使連梁的設(shè)計符合要求。

高烈度設(shè)防地區(qū)的框架-剪力墻或剪力墻結(jié)構(gòu)連梁和有截面收進(jìn)的核心筒結(jié)構(gòu)中連接內(nèi)外筒的剪力墻連梁剛度相對墻體較小，協(xié)調(diào)剛度很大的墻肢變形承受的剪力特別大，往往通過以上所列方法還是解決不了連梁剪力超限的問題。

本文基于某電梯試驗塔項目對結(jié)構(gòu)剛度突變進(jìn)行研究，創(chuàng)新發(fā)明了一種新型的疊合鋼板耗能連梁，并對其進(jìn)行模擬計算分析。

2 工程概況

該電梯試驗塔位于廣東省中山市，地下3 層，地上33 層，樓層層高不同，其中，最大層高為9 m，建筑總高度為256.2 m。該建筑的主要功能為電梯功能（如高速運行、急剎、雙箱等）測試。建筑物在132 m 以下為混凝土雙筒形式，132 m 以上僅保留了內(nèi)筒。下部平面尺寸為30 m×26.2 m，上部平面尺寸為22.6 m×19.6 m，最大高寬比達(dá)到9.4。

本工程結(jié)合建筑平面布置的特點，采用鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系。為確保該工程的抗震性能，采取了如下措施：根據(jù)建筑平面布局和立面收進(jìn)的特點，本工程沿建筑四周布置成內(nèi)外2 道鋼筋混凝土剪力墻的筒體結(jié)構(gòu)，從而保證了本工程大高寬比的剛度要求，并且鋼筋混凝土筒體作為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，承擔(dān)全部的地震作用和風(fēng)荷載。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)剛度突變對策研究

經(jīng)計算，該電梯試驗塔在標(biāo)高92.00～123.00 m 處（即結(jié)構(gòu)截面收進(jìn)部位），連接內(nèi)、外筒之間的2 段剪力墻在地震及風(fēng)荷載作用下分擔(dān)的剪力的比值有突變，相比其他層增大很多。經(jīng)分析，可能是由于結(jié)構(gòu)平面的縮進(jìn)致使內(nèi)、外筒的變形協(xié)調(diào)要靠此連接內(nèi)、外筒之間的2 段剪力墻平衡，以及結(jié)構(gòu)平面的縮進(jìn)使水平力也需靠此連接內(nèi)、外筒之間的2 段剪力墻平衡。

為協(xié)調(diào)內(nèi)、外筒的變形，減少外伸剪力墻的剪力，將內(nèi)筒與外伸剪力墻之間開洞處理，設(shè)置混凝土連梁，連梁尺寸為450 mm×600 mm。

計算結(jié)果顯示，連梁承受了較大的剪力，剪壓比嚴(yán)重超限。

由于連梁兩端墻肢不均勻的相應(yīng)變形會引起連梁兩端的豎向位移差，這將在連梁內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。要減小連梁剛度、降低連梁內(nèi)力，可以增大剪力墻的洞口寬度，在計算內(nèi)力和位移時對連梁剛度進(jìn)行折減，或者在連梁中部設(shè)水平縫等。本項目外伸剪力墻只有6 m，增大洞口寬度不合理；計算內(nèi)力和位移時對連梁剛度進(jìn)行折減，也還是不能滿足要求。

如果把連梁離散為片狀，可以減少連梁抗彎剛度，且不降低連梁的水平力傳遞能力，因此，連梁具有良好的變形能力，可使其在承受較大地震剪力時，發(fā)揮較好的延性耗能能力。再進(jìn)一步改進(jìn)，將此連梁改為多層鋼片，承載力高，變形能力好，剛度也大大降低了。按照這個思路，將連梁設(shè)置為6 塊0.8 m×0.45 m×0.04 m 的Q235B 鋼板，間距0.2 m，并由變形較好的橡膠填充，最上面鋼板的頂面與剪力墻頂面齊平，分別與2 片剪力墻預(yù)埋的型鋼固定相連接，與左前方剪力墻平行布置并與右后方剪力墻垂直，如圖2 所示。

圖2 疊合鋼板連梁設(shè)置大樣

4 疊合鋼板耗能連梁分析

4.1 疊合鋼板耗能連梁的耗能能力模擬計算

建立2 種結(jié)構(gòu)模型，對疊合鋼板耗能連梁的耗能能力進(jìn)行模擬計算。結(jié)構(gòu)模型一剪力墻直接相連，結(jié)構(gòu)模型二如圖2設(shè)置疊合鋼板耗能連梁。

該耗能連梁由6 塊0.8 m×0.45 m×0.04 m 的Q235B 鋼板組成，鋼板間距0.2 m，最上面鋼板的頂面與剪力墻頂面齊平，兩端與剪力墻較好固結(jié)，與左前方剪力墻平行布置并與右后方剪力墻垂直。

為量化該0.8 m×0.45 m×0.04 m Q235 鋼板的耗能能力，采用通用有限元軟件Abaqus 對其進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬，加載制度參考美國ATC-24（1992）[4]建議，采用位移控制方式加載，見表1。

表1 加載制度

模型中鋼板材料選用Q235B，本構(gòu)關(guān)系選用隨動雙線性強化模型，強化段剛度取為彈性段的3%。得出構(gòu)件的力-位移滯回曲線如圖3 所示。

圖3 鋼板滯回曲線

由圖3 可知，Abaqus 模擬得到的滯回曲線形狀飽滿，據(jù)此，認(rèn)為該鋼板耗能能力良好。

4.2 采用該疊合鋼板耗能連梁前后結(jié)構(gòu)典型構(gòu)件的受力情況對比

對2 個模型進(jìn)行計算，相連剪力墻采用疊合鋼板連梁前后內(nèi)力比較：在X 方向和Y 方向地震力以及風(fēng)荷載作用下，剪力墻的彎矩和剪力都有明顯的下降。

4.3 疊合鋼板連梁在地震作用下的內(nèi)力分析

疊合鋼板連梁在多遇地震作用下的內(nèi)力分析：在X 方向和Y 方向地震力的作用下，鋼板連梁大部分處于彈性狀態(tài)，變形不大。

疊合鋼板連梁在罕遇地震作用下的內(nèi)力分析：在X 方向和Y 方向地震力的作用下，鋼板連梁大部分處于屈服狀態(tài)，變形較大，但并未破壞。

用PKPM 軟件對設(shè)置了疊合鋼板的試驗塔進(jìn)行多遇地震下的反應(yīng)譜分析，并與Midas/building 軟件分析結(jié)果比較，整體結(jié)構(gòu)基本滿足規(guī)范及規(guī)程的要求，能達(dá)到多遇地震下的抗震設(shè)防目標(biāo)。

大震下，采用Midas/building 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力彈塑性時程分析，整體結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主，除了部分連梁進(jìn)入塑性狀態(tài)，剪力墻基本處于彈性狀態(tài)，滿足大震下的抗震性能水準(zhǔn)要求。

綜上所述，本工程采用疊合鋼板連梁，能顯著減小相連剪力墻的剪力、彎矩；而連梁本身在多遇地震下大部分處于彈性狀態(tài)，罕遇地震下大部分屈服但未破壞。結(jié)構(gòu)整體計算能滿足多遇地震下的設(shè)防目標(biāo)和大震下的抗震性能水準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

本文基于實際項目，對高層建筑結(jié)構(gòu)剛度突變進(jìn)行研究，采用了一種新型的疊合鋼板耗能連梁，并對其進(jìn)行模擬計算分析，得出以下結(jié)論：

1）Abaqus 模擬得到的滯回曲線形狀飽滿，據(jù)此，認(rèn)為該鋼板耗能能力良好；

2）疊合鋼板耗能連梁在多遇地震和罕遇地震下有效地減小了剪力墻所受到的剪力和彎矩，有效地解決了該超限結(jié)構(gòu)縮進(jìn)處剪力墻剪力超限的難題；

3）疊合鋼板在罕遇地震下大部分進(jìn)入了塑性階段，作為結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線，耗散地震能量，很好地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，且避免了混凝土連梁大面積超筋的情況。