钢管混凝土斜交网格结构性能分析.pdf
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1、第 3 7卷第 5期 2 0 1 1 年 1 O月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 61 钢管混凝土斜交网格结构性能分析 胡 晓, 陈 麟 , 张春梅 , 周 云 ( 广州大学, 广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要: 以广州西塔为工程背景, 建立了圆筒钢管混凝土斜交网格结构模型, 分析了斜柱倾角对结构周期、 侧移、 竖向刚度和 内外筒的弯矩和剪力分配的影响, 探讨了核心筒剪力墙厚度对结构性能的影响。结果表明: 高宽比大于 5的圆筒斜交网格结 构的最优斜交角度介于6 8 。 一 7 8 。 ; 随着斜柱倾角的减小
2、, 结构抗侧刚度下降, 下部楼层刚度突变明显; 随着核心筒墙厚的增 加, 结构 自振周期略有增大, 内外筒的基底剪力与弯矩分配更加合理。 关键词: 斜交网格结构; 斜交角度; 高宽比; 核心筒墙厚 中图分类号: T U 3 5 6 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 6 1 0 5 Pe r f o r m a nc e a n a l y s i s f o r c o nc r e t e - fil l e d s t e e l t ub u l a r d i a g r i d s t r u c t u r e s HU
3、 Xi a o CHEN L i n, Z HANG Ch u n me i ZHOU Yu n ( G u a n g z h o u U n i v e r s i t y , G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 , C n a ) Ab s t r a c t : T h e a n a l y s i s m o d e l o f c o n c r e t e fi U e d s t e e l t u b u l a r ( C F S T )d i a g r i d s t r u c t u r e i n t h i s p a p e r i
4、s c o n d u c t e d o n t h e b a s i s o f d e s i g n f o r G u a n g z h o u We s t T o w e r T h e i n f l u e n c e s o f d i a g o n al angle o n s t ruc t ura l p e ri od, d i s p l a c e m e n t , s t i ff n e s s i r r e g u l a r i ty, s h e a r fo r c e a n d mo me n t d i s t rib u t i o
5、 n b e t we e n C F S T t u b e a n d c o n c r e t e c o r e wa l l a r e a n aly z e d T h e e ffe c t s o f t h i c k n e s s o f c o re wall o n s t ruc t u r al p e r f o r m a n c e a r e al s o i n v e s t i g a t e d The a n al y s i s r e s ult s i n d i c a t e t h a t t h e o p t i m al d
6、ia g o n al angl e i s b e t w e e n 6 8 。a n d 7 8 。w h e n t h e s t r u c t u r a l d e p t h - w i d t h r a t i o i s g r e a t e r t h a n 5 De c r e a s i n g d i a g o n al ang l e wo uld i n d u c e t h e s t r u c t u r a l i r r e g u l a rit y a n d r e d u c t i o n of the s t ruc t ura
7、l s t i ffn e s s I n a d d i t i o n, s h e a r force an d mo me n t d i s t ri b u t i o n b e c o me mo r e r a t i o n a l b y i n c r e a s i n g the thi c k n e s s o f c o r e wa l 1 K e y w o r d s : c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e ; d i a g r i d s t ruc t u r a l s y s t e m
8、; d i a g o n al angl e ; d e p t h - wid th rati o ; m e mb e r c o n n e c t i o n 0 引 言 斜交网格结构体系最突出的特点是其外筒由双 向交叉连续环绕建筑外表面的斜柱构成 , 替代了传 统上的竖直柱加斜 向支撑的形式 , 具有材料利用效 率高、 刚度大、 抗侧性能好的优点 。由于其独特的建 筑效果, 这种结构形式日 趋受到建筑师们的青睐。 高层斜交网格最早建成于 2 O世纪 6 0年代美 国 的 I B M大楼 J , 近年来, 这种结构形式有 了进一步 的发展应用 引, 如英 国伦敦的 S w i s s
9、 R e B u i l d i n g , 美 国纽 约 的 He a r s t H e a d q u a r t e r s , 卡 塔尔 的外交部 大 楼, 韩国首尔的 L o t t e S u p e r T o w e r 等。斜交网格结 构在我国的应用最早 出现于广州西塔。 与其他高层建筑结构体系相比, 钢管混凝土斜 交网格结构体系的相关研究还较少 。M o o n , 4 研究 收稿 日期: 2 0 1 0 - 0 5 - 2 5 作者 简介: 胡晓 ( 1 9 8 5一) , 男 , 广 东河 源人 , 硕士 研究 生 , 研 究方 向 : 工程抗震 。 基金项 目: 广
10、东省基金 团队项 目( 8 3 5 1 0 0 9 1 0 1 0 0 0 0 0 1 ) ; 广东省科技计 划项目( 2 0 o 8 B o 3 0 3 O 3 o 7 5 ) ; 广州市科技计划项 目( 2 0 0 8 J 1 一C 2 5 1 1 ) ; 广州市属高校科技计划项目( 0 8 C 0 4 8 ) ; 广州大学减震控制与结 构安全开放实验室基金项目 Ema i l : z y f-y c h e n 1 6 3 e o m 了斜交角度对结构性能的影响, 提出了基于抗侧刚 度的矩形斜交网格结构设计方法。周健、 汪大绥 5 】 对平面斜交 网格进行 了基本静动力特性分析 , 初步
11、 分析了圆筒斜交 网格 结构的空间受力性 能。韩小 雷、 黄超 引研究了斜交角度、 平面形状与结构位移、 内力的关系, 提出了基于抗侧刚度的矩形斜交网格 结构简化计算方法; 并根据基于性能的抗震设计方 法 , 对圆筒斜交网格结构进行 了强震下 的非线性分 析。张崇厚、 赵丰 分析了矩形筒体斜交 网格结构 体系抗侧性能的相关影响因素。 本文以广州西塔为工程背景 , 建立了圆筒钢管 混凝土斜交网格结构模型。分析了不同高宽比下, 斜柱倾角对结构周期 、 侧移、 竖向刚度、 内外筒的弯 矩和剪力分配 的影 响; 探讨 了核心筒剪力墙厚度对 结构性能的影响 , 为圆筒斜交 网格结构体 系的设计 与应用提
12、供参考。 1 计算模型 1 1 模型参数 本文参照广州西塔结构设计 , 建立了规则的 7 8 层圆筒钢管混凝土斜交网格结构 C -T D 1 , 模型层 高 4 n l , 结构总高度 3 1 2 m, 高宽 比为 8 2 , 为 B级超 6 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 限高度的超高层建筑。如图 1 所示 , 外筒为直径 3 8 m的巨型斜交 网格筒体 , 每 l 2层设一个“ x形” 的 巨型斜交网格( 以下简称“ x单元 ” ) , 每一圈巨型斜 交网格层由 1 2个 “ x单元” 组成 , 钢管混凝 土柱与 水平面 的夹角 约为 7 8 。 。内筒为钢 筋混凝 土核 心 简 ,
13、平面为一 正六 边形 , 边长 1 0 1 1 。模型 主要构 件 尺寸和材料强度见表 1 。 图 l C F T D 1三维图 Fi g 1 3 D v i e w o f CFTD1 表 l 主 要构 件截 面尺寸与材料强度 Tab l e 1 Di men s i on s a nd m a t e r i a l s of t he ma i n e l e me nt s 外筒环梁 全 楼层 楼板 H 7 0 03 0 0 2 0 2 5 Q 3 4 5 H8 0 03 0 0 2 0 4 O Q 3 4 5 截面高度 7 0 0 m i l l , 跨度 5 IT I C 8 0
14、厚度 1 5 0 m m C 3 5 1 2荷载 结构设计基准期 为 5 O年 , 使用年限为 1 0 0年 , 建筑结构安全等级为一级, 结构重要性系数为 1 1 , 抗震设防烈度 7度 , 设计基本地震加速度 0 1 0 g , 场 地类别 I I 类, 设计地震分组为第一组, 场地特征周 期 0 3 5 S , 结 构 阻 尼 比取 0 0 4 。基 本 风压 为 0 5 k N m ( 5 O年一遇) , 0 6 k N m ( 1 0 0年一遇 ) , 地 面 粗糙度为 C类 , 考虑找平 、 地面做法 、 吊顶 以及楼板 和隔墙等荷载 , 楼屋面附加恒载取 3 5 k N m ,
15、楼屋 面活 载取2 0 k N m 。 计算 所 用 荷 载组 合 见 表2 。 表 2荷载组合 Tabl e 2 Lo a d c ombi na t i o ns 名称 组合方式 名称 组合方式 组合 1 1 2 D+1 4 L 组合 3 1 2 D+ O 6 + 0 2 8 W X+1 3 E Q X 组合 2 1 2 D+ O 9 8 L+I 4 W X 组合 4 1 2 D+ 0 6 L 注 : D为恒载; 为活载 ; W X为 向风荷载; E O X为 向7度多遇地震作 用 。 采用建筑结构有限元 软件 E T A B S对 结构进行风 荷 载和多遇地震作用下的弹性分析, 考虑 P
16、 _效应 。 1 3 模型合理性分析 C F T D 1前两阶振 型分别 以 向和 y向平动 为 主 , 第三振型为扭转 。前 2阶振型周期数值相近 , 向周期为 6 6 7 9 S , Y向周期为 6 6 7 6 S , 表明结构两 方向的抗侧刚度相近。结构扭转周期与第一平动周 期之比为 0 3 3 , 最终振 型参与质量在 9 0 以上 , 均 满足规范相关规定。核心筒剪力墙在荷载组合 4下 的最大轴压比为 0 4 9 , 满足规范的限值规定。钢管 混凝土柱在荷载组合 3下的轴压比介于 0 4 0 5 之 间 。 C F T D 1在 1 0 0年风荷载作 用下 的最大层 间位 移角为 1
17、 5 5 0, 小震作用下为 1 8 0 6, 均满足规范 l 5 0 0的限值规定。在小震作用下 , 斜交网格外筒所 占基底剪力和弯矩分别为 6 3 与 7 8 。由此可见 , 外筒提供了较大的抗侧刚度, 是主要的抗侧力结构。 其次 , 层刚度比满足规范限值规定 , 不存在因刚度突 变而形成的薄弱层 。结构刚重 比为 1 9 , 大 于 1 4 , 满足规范整体稳定性要求。以上分析表明, C F T D 1 满足规范要求, 计算模型是合理的。 2斜柱倾角对结构性能的影响 在 C P I D1的基础上, 保证每层钢管柱用钢量相 近, 钢管径厚 比控制在 3 5 4 0的情况下 , 通过 “ x
18、单 元” 跨越不 同的楼层数来 改变斜 柱倾 角, 形成一 系 列对 比模型 C F T D1 C P F D 6 , 见表 3 。 表 3 对 比模 型信 息 Ta b l e 3 I n f o r ma t i o n o f mo d e l s 模 型 C P r D1 C ID 2 c m3 C F T D 4 C F T D 5 C F T D 6 x单元跨越楼层数 1 2 1 O 8 6 4 2 斜柱倾角 7 8 4 2 。7 6 1 9 。7 2 9 2 。6 7 7 2 。5 8 4 2 。3 9 1 3 。 2 1模态 分析 表4所示为 C F T D1 一C F T D
19、 6的前 6阶振型所对 应的周期 。可 以看出 , 随着斜柱倾角的减小 , 结构的 抗扭 刚度不 断加强 , C F T D 6在第 7振型 才 出现 扭 转。然而 , 随着倾角 的减小 , 结构的抗侧刚度总体呈 现减小的趋势 。这是 因为 , 超高层斜 交网格结构 以 弯曲变形为主 , 而斜交 网格外筒 的侧 向抗弯 刚度主 要来 自于钢管混凝土斜柱轴 向刚度 的竖 向分量, 随 着角度不断减小, 斜柱轴向刚度的竖向分量不断减 小, 从而导致结构的抗侧刚度不足, 周期变大。 从 以上分析可知 , 必然存在一个最优角度 , 使得 结构同时拥有较好的抗侧性能和抗扭转性能。由表 4可 以看到 ,
20、C F T D 3的第一周期是 6个模型中最 小 的, 且在第 5模态才 出现扭转 , 抗扭 能力也较强 , 此 2 0 1 1 N o 5 胡 晓, 等: 钢管混凝土斜交网格结构性能分析 6 3 时, 斜柱倾角约为 7 3 。 。另外 , C F T D 1C F I T D 4的第 一 周期相差不大 , 即斜柱倾角介于 6 8 。7 8 。 时, 圆 筒斜交网格结构具有较好的抗侧性能。 表 4 结构 自振周期 Ta bl e 4 M o da l pe r i o d o f s t r uc t u re s s C F T D 1 C F I D 2 振型描述 C F T D 3 振型
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