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上海鋼結構加工廠告訴你“剛烈”的斜交網格結構體系是如何形成的

時間:2020-04-26 來源:

地震剪力的規范要求

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第5.2.5條及《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第4.3.12條:

規范條文解釋:由于地震影響系數在長周期段下降較快,對于基本周期大于3.5S的結構,由此計算所得的水平地震作用下的結構效應可能太小。而對于長周期結構,地震動態作用的地面運動速度和位移可能對結構的破壞具有更大的影響,但規范采用的振型分解反應譜法只反映加速度對結構的影響,對長周期的結構不全面,出于結構安全的考慮,當計算的樓層剪力過小時,提出了對結構總水平地震剪力及各樓層水平地震剪力最小值的要求,當不滿足時,需改變結構布置或調整結構總剪力和各樓層的水平地震剪力使之滿足要求。


    看來規范對地震剪力的要求,控制剪重比,要求整個結構承擔足夠的地震作用,剪重比與地震影響系數的內在聯系是:λ=0.2αmax。這對于單位重量極大的超高層建筑來說就已經是嚴格的要求了。但還沒完。。。

    

   《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010,第9.1.11條,抗震設計時,筒體結構的框架部分按側向剛度分配的樓層地震剪力標準值應符合下列規定:

    當框架部分分配的地震剪力標準值的最大值小于結構底部總地震剪力標準值的10%時,各層框架部分承擔的地震剪力標準值應增大到結構底部總地震剪力標準值的15%;此時,各層核心筒墻體的地震剪力標準值宜乘以增大系數1.1,但可不大于結構底部總地震剪力標準值,墻體的抗震構造措施應按抗震等級提高一級后采用,已為特一級的可不再提高。

    條文解釋:框筒結構是外周框架與核心筒協同工作的雙重抗側力結構體系。實際工程設計中,常出現外周框架剛度過低,核心筒剛度過高,結構底部剪力主要由核心筒承擔的情況。這種情況遇到強震時,核心筒墻體如果損傷嚴重,外周框架將會承擔較大地震作用。 

    

    二道防線思想?。?!

  

    從上面這二條規范來看,第一,超高層長周期的動力特性下,各層的地震剪力基本規范給出了最小值。第二,外框部分的占比又有一個最小限制要求。嘿嘿,這二點要求設定好,框筒結構的外框的地震剪力看來是小不了了。這點對于做過超高層的結構工程師們大概都要內心大呼“我太難了”了吧。尤其是高度超過400米的建筑,抗側體系控制荷載基本為風荷載,正常設計下來,剪重比好不容易調整夠了,外框的地震剪力占比估計大概就5%~7%左右了。而為了滿足規范,只能加大構件截面尺寸了。

     這種沒技術含量的“堆材料”又是技術大牛們所不屑的~~,這時候再來看看斜交網格結構體系,是不是從結構工程師的直接感官就知道,這玩意,剛度小不了~~~,爽了吧!

No.2

斜交網格體系概述

    話不多說,先上一組國內外建成或在建的斜交網格體系的超高層建筑,大家直接感受下。

    斜交網格結構體系區別于一般框筒結構之處,其外筒由雙向交叉連續環繞建筑外表面的斜桿構成,替代了傳統上的垂直柱的形式,外筒的巨大剛度使其能夠承受較大的水平荷載。   

斜交網格結構的特點

 傳統的框筒結構中,通常將核心筒簡化為產生彎曲變形的懸臂構件,外框架簡化為產生剪切變形的懸臂構件,基于此簡化假定導致了外框的基底剪力基本為零,幾乎全部由核心筒承擔基底剪力。這也是前面我們梳理規范中強調的一定要人為調整外框承擔的剪力主要原因。

    而對于斜交網格結構中,以軸力為主的斜向構件使得外框(筒)同時產生彎曲變形和剪切變形,樓層的水平剪力主要以斜柱軸向內力向下傳遞,空間協調工作性較強,扭轉剛度大,剪力滯后效應弱,外框(筒)甚至可以提供大于內容的結構側向剛度。    

斜交網格結構案例

    拿一個近期接觸到的實際案例為例,對比說明下斜交網格結構的外框(筒)與核心筒之間的剛度及地震剪力分配到底能比傳統結構大多少。

    某在建400米超高層,抗震設防烈度7度,設計地震分組第一組,場地設計特征周期0.65s;結構系統側向受控于地震作用及風效應的共同作用。結構設計對比二個結構方案,方案一為傳統的帶狀桁架及外伸桁架的框架-核心筒結構體系外框架為鋼管混凝土柱及組合鋼梁,核心筒為鋼筋混凝土;方案二將外框柱在底部區域改為斜交網格曲柱體系,同時取消外伸桁架。


    采用ETABS進行建模分析計算:直接對比方案一及方案二的外框地震剪力曲線圖如下圖:


    實際的對比數據也完全映證了我們開始的想法,方案一的傳統的帶狀桁架及外伸桁架的框架-核心筒結構體系,外框在底部承擔的地震剪力8%都到不了,而方案二中,斜交網格在底部承擔的地震剪力占比已達到了40%~50%,其抵抗地震剪力的能力已經完全不屬于鋼筋混凝土核心筒了。

    整個結構體系來看,底部的斜交網格區域,其本身就完全是一個放大版的帶狀桁架,類似于一個落地的多層的加強層。對于此類結構體系,其在豎向荷載下的受力性能和傳力途徑;在水平荷載下的內外框筒的協同工作性能;斜交網格構件在大震下的塑形發展過程;網格交叉節點的安全儲備等;與傳統的結構體系還是有較大差異的。


斜交網格側向剛度影響因素

    影響斜交網格外框剛度的主要因素主要有:1. 斜交網格構件的截面尺寸;2. 斜向網格構件與水平的夾角;3.斜桿的計算長度;4. 外立面體型及外立面寬度;5.立面的跨數;6.斜交網格的彈性模量。

    一些文獻中提出了斜交網格模塊的剪切剛度和彎曲剛度的簡化算法如下:


 A斜柱截面;L斜柱長度;θ為斜桿夾角;B為立面寬度,n為立面跨數,E為斜桿的彈性模量。

    斜交網格以軸力承受豎向及水平荷載,能有效的將角柱內力傳遞至立面中部,降低了剪力滯后效應,同時外圈環梁有效約束斜柱協同工作,影響剛度的主要因素排序為:

    斜桿夾角θ>立面寬度B>立面跨數n>A斜柱截面。


    在水平推覆力下,整體受力呈一側受壓,一側受拉的受力形式。主要的耗能構件均為軸向受力,在軸向受力作用下,桿件的變形骨架曲線在拉壓二側是非對稱的,受拉狀態下,桿件有較長的屈服耗能段;但在受壓狀態下,桿件或因失穩屈曲超出失穩臨界點后就迅速退出工作,無法較好的耗能。而通過有限元模擬顯示,受壓一側先行進入彈塑性階段,隨后受拉一側也出現塑形鉸。整體延性還是較差。因此在高烈度區,斜交網格體系的設計還是要進行大震下的結構抗震性能專項研究,并且如何提高其延性及耗能能力將是研究的重點,除進行節點有限元分析之外,尚應進行節點等比例縮尺或實際尺寸節點試驗以確認節點的可靠性。


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