装配整体式空间钢网格盒式结构住宅平面不规则楼板的研究＊

2015-04-24王建烁马克俭聂世杰陈佳琪熊奇伟

贵州大学学报(自然科学版) 2015年1期

王建烁，马克俭，申波，聂世杰，陈佳琪，熊奇伟

(贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳550003)

随着我国经济的飞速发展，人们对物质和文化生活要求的不断提高，尤其是在用地紧张、人口密集的城市中，人们对各类建筑提出了更新，更高的要求。建筑钢结构由于钢材的优异性能，制作安装的高度工业化以及结构体形的新颖和灵巧，已越来越广泛地得到应用。而人们对于新建建筑审美要求的提升，各类不规则建筑也如雨后春笋般的出现;装配整体式空间钢网格盒式结构体系由于具有良好的空间受力性能，在满足建筑造型新颖的要求后在结构抗震方面也有着不同于传统结构的优势，本文就新型钢网格盒式结构高层住宅平面不规则下的抗震性能做了一些探讨，以期为工程应用提供参考。

1 装配整体式空间钢网格盒式结构体系

装配整体式钢空腹夹层板楼盖结构体系是由马克俭教授提出的，已在国内多层大跨度工程中得到应用。空间钢网格盒式结构的定义为，由两片横向钢网格板和多块竖向网格组合形成盒式网格结构，网格盒式结构叠合形成多层与高层筒体，在同一层几个盒组合后再叠合形成束筒体系结构。盒式结构采用磷石膏或脱硫石膏现场浇筑装配整体式钢网格框架构成住宅建筑的承重外墙及分户墙，装配整体式钢空腹夹层板网格结构作为住宅建筑的楼(屋面)板体系。水平体系和竖向体系均为密肋网格结构［1］。图1为钢网格墙架与空腹夹层板的组合示意图。

图1 墙架与楼板拼接

相对于钢框架结构，盒式结构受力比较均匀，使构件内力值大幅度减小，相应的构件截面也减小，而且截面也比较均匀。

盒式结构的楼盖采用钢－混凝土协同式组合空腹夹层楼盖(图2)，楼盖由T型钢上、下肋组成的双层井字拼装单元在拼装点处通过高强螺栓连接，再在上面浇注一层钢筋混凝土板，通过栓钉与上肋T型钢梁连接。

楼盖还克服了传统框架“有墙就有梁”的局限性，更容易满足户型要求和功能要求，便于大开间、灵活划分居室的人性化设计［2］。

图2 空腹夹层板空间示意图

2 平面不规则

《建筑抗震设计规范》［3］中规定了几种平面不规则的主要类型。其中包括:扭转不规则、凹凸不规则以及楼板局部不连续。要求建筑结构应当平面布置规则、对称，具有良好的抗侧力结构并有良好的整体性。但随着现代建筑的造型设计的愈加奇特新颖，凹凸不规则平面结构势必会越来越多的出现。

抗震设计必须设置竖向与水平的抗侧力构件，确保惯性力的传递。楼板承受和传递侧向力，在地震过程中把水平力传递和分配给竖向的抗侧构件的同时，又要协调同一层的竖向构件的变形［4］。建筑物的楼板局部不连续会导致局部楼板刚度的削弱，使楼板平面内的刚性假设不成立。

在规则结构中刚性楼板是指平面内刚度无限，平面外刚度为0。刚性楼板假定使结构在每层楼板内只有3个自由度。而楼板开大洞或者楼板凹凸不规则的情况下，其楼面板的变形会使楼层中各个抗侧构件位移和内力产生较大的变化，特别是抗侧刚度较小的构件的内力会增大。结构抗震分析时，主要依照楼层屋盖平面的变形情况采用不同的楼板假定进行计算［5］。

对于楼板凹凸不规则的情况，本文对比了在弹性楼板和刚性楼板假定下普通钢框架结构与装配整体式空间钢网格盒式结构的变形及受力的差别。

3 装配整体式空间钢网格盒式结构体系性能对比分析

3.1 工程概况

以湖北襄阳市拟开发磷石膏为墙体的26层装配整体式空间钢网格盒式结构为例。两梯四户，结构高度80.6 m，总建筑面积约15000 m2，设防烈度6度(0.05 g)，钢材采用Q345钢，场地类别Ⅱ类。

图3 普通结构标准层平面图

图4 盒式结构标准层平面图

工程结构标准层如图3、4所示，楼板呈哑铃型，标准层的轴视图如图5、6所示。核心筒处平面凹进尺寸大于总尺寸的30%，同时有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，属于凹凸不规则与楼板局部不连续。其中的哑铃把区域是楼板的薄弱部位。楼层平面整体呈哑铃形，楼板的平面刚度在哑铃把区域急剧变化。

图5 普通结构标准层轴视图

图6 盒式结构普通结构轴视图

中间核心筒部分连接着两个主体结构，协调着主体结构在地震作用下的变形。在地震作用下其很有可能早于其他竖向的抗侧力构件发生破坏。

本文分别对盒式结构与普通框架结构建模分析。首先采用振型分解反应谱法，对比普通结构和盒式结构在刚性板假定与弹性板楼板假定下的不同参数。

3.2 振型分解反应谱

该工程楼板平面凹凸严重，属于不规则建筑。在结构布置中利用中间部位电梯井的位置设置核心筒，与周围钢结构网格墙架协同工作组成混合承重结构。

结构的整体分析利用有限元分析软件Midas。利用振型分解反应谱法进行结构抗震分析。分别进行四个模型的分析:(1)刚性板假定下普通框架结构;(2)考虑弹性板的普通框架结构;(3)刚性板假定下的盒式结构;(4)考虑弹性板的盒式结构。

四个模型的弹性分析结果表明，所有的控制性指标均满足现行规范的要求。

图7、图8、图9、图10分别给出了四个模型在X、Y向地震作用下的楼板应力云图。

可以看出在X方向地震作用下，当采用刚性楼板假定的时候，无论普通结构还是盒式结构核心筒内部哑铃把的区域内应力均较为集中且呈条带状，而当采用弹性板计算的时候，哑铃把部分的楼板并未起到协调应力的作用，应力反而会集中在核心筒外侧的区域，呈现点集中状态。两者的应力分布差异很大，需提起注意。尤其是弹性板条件下电梯井壁外凸的局部区域楼板在受力较其他区域大，该处楼板应加强配筋。在Y向地震作用下的楼板应力分布差异巨大。可以明显看出在刚性楼板假设下无论普通框架结构还是盒式结构的楼板处于柱子区域部分的应力较大。由于水平力传递的途径发生了阻塞，力流在凹槽处会引起应力集中［6］;而在弹性楼板设定下，楼板的应力几乎都集中在核心筒区域，这表明弹性楼板几乎失去了协调同一层中竖向抗侧构件变形的能力。

图7 模型1、2 X向地震sig-xx

图8 模型1、2 Y向地震sig-yy

采用刚性楼板假定的高层建筑，由于各竖向构件的侧移在相同的高度都是一致的。在水平地震作用下，地震水平剪力是按照楼层的抗侧构件的刚度比例分配的，对于楼板不规则的建筑，由于楼板本身的变形，结构体系中各个竖向构件在同一高度的位移是不相同的，致使框架的位移会大于核心筒的位移，弹性楼板假定下框架的地震剪力V相较刚性楼板假定下的底层框架剪力V0会增大［7］。

图9 模型3、4 X向地震sig-xx

图10 模型3、4 Y向地震sig-yy

通过对比各个柱子在地震作用下的剪力值，可知普通结构矩形楼板中部的柱子受力较大，而盒式结构除角柱受力较大外，其余柱子受力较为均匀，有着更明显的规律性。这一点为规格化生产构件提供了有利条件。表1给出盒式结构在不同楼板假定下的同层框架剪力比V/V0的值。

表1 同楼层地震剪力比值V/V0

表1中的数据均在1.0左右，并未如文献［7］中所述差距那么大。这表明空腹夹层板密肋网格结构具有良好的刚度，能够有效地协调各个竖向抗侧构件的变形。

在Y向地震作用下，普通框架结构由于楼板中部设有柱子，能够有效地减少弹性楼板所带来的变形不协调的负面影响，两种情况下的底层柱剪力差距在10% ～15%之间;而盒式结构底层角柱剪力差距较大接近19%。当普通结构去掉楼板中间的柱子之后，部分柱底剪力差接近40%，这表明在相同的跨度下，盒式结构相较普通的框架结构有相当明显的优势。同时盒式结构的柱底剪力变化规律给工程师们的设计工作带来了便利。