高层钢、混凝土组合结构不同加强措施下协同工作性能研究

龙立志， 吕金宝

(中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)



高层钢、混凝土组合结构不同加强措施下协同工作性能研究

龙立志， 吕金宝

(中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

【摘要】钢、混凝土组合结构体系在我国高层及超高层建筑结构中得到越来越广泛的应用。文章利用通用有限元软件MIDAS/GEN对该结构体系模型进行地震反应谱分析、PUSHOVER分析，研究了不同组合结构的协同工作性能。

【关键词】抗震性能;混合结构;加强措施;协同作用

钢与混凝土混合结构一般指由钢筋混凝土筒体或剪力墙和钢框架组成的抗侧力体系,以刚度很大的钢筋混凝土部分承受风力和水平地震作用，钢框架主要承受竖向荷载。高层钢-混凝土混合结构两种材料的巧妙组合满足了建筑使用功能和建筑高度上的要求。在结构受力方面，可减轻结构自重，提高竖向承载能力和抗风抗震能力，增强了结构的延性，使结构高度不断突破钢筋混凝土结构的极限。

1地震作用计算及分析

本文在分析中采用了振型分解反应谱法、静力弹塑性分析法。

振型分解反应谱法是将振型分解法和反应谱法结合起来的一种计算多自由度体系地震作用的方法，其基本假定是：

(1)结构的地震反应是线弹性的，可以采用叠加原理进行振型组合；

(2)结构的基础是刚性的；

(3)结构最不利地震反应为其最大地震反应；

(4)地震时地面运动为平稳的随机过程。

在上述假定的基础上，利用振型分解和振型正交性原理，把结构在地震作用下复杂的振型分解为各个独立振型的叠加，然后利用单自由度体系的反应谱来分别计算结构在各独立振型下的地震效应，最后进行地震效应组合，从而得到结构的整体地震效应。

静力弹塑性分析是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法，其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。其基本过程如下：

(1)建立结构的计算模型、构件的物理参数和恢复力模型等；

(2) 计算结构在竖向荷载作用下的内力；

(3) 建立侧向荷载作用下的荷载分布形式，将地震力等效为倒三角或与第一振型等效的水平荷载模式。在结构各层的质心处，沿高度施加以上形式的水平荷载。确定其大小的原则是：水平力产生的内力与前一步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批杆件开裂或屈服；

(4) 对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改后，再增加一级荷载，又使得一个或一批杆件开裂或屈服；

(5) 不断重复步骤(3)、(4)，直至结构达到某一目标位移或发生破坏，将此时的结构的变形和承载力与允许值比较，以此来判断是否满足“大震不倒”的要求。

2分析模型

高层、超高层建筑中广泛运用的钢与混凝土组合结构主要指外钢框架与混凝土核心筒组成的组合结构。钢框架、混凝土芯筒两者之间的刚度差别很大，为确保其有效的工作，钢框架与芯筒之间除了普通的联系之外，还需要一定的加强措施。已建和在建的众多此类结构中均设置了不同形式的加强措施，主要的措施有伸臂、环向桁架及交叉支撑。伸臂及环向桁架属于加强层的范畴。加强层是设置在高层建筑中的某几个部位，通常是利用设备层或避难层设置刚度较大的水平外伸构件(刚性很大的桁架或梁)加强核心筒与框架柱的联系，必要时可设置刚度较大的周边环带构件，加强外周框架角柱与翼缘柱的联系。支撑用以解决钢框架-混凝土芯筒混合结构中的钢框架的侧向刚度差的问题，主要包括中心支撑和偏心支撑。

本文选取一典型高层外钢框架-混凝土芯筒混合结构作基本研究模型A，基本概况：采用“外钢框架-内混凝土芯筒”结构体系，芯筒平面尺寸为10 m×10 m，芯筒高宽比为13.4。轴线尺寸22 m×22 m。首层和二层层高为4.5 m，其余层高3.3 m，建筑总高度为134.4 m，房屋高宽比为6.0。该楼按8度(0.02g)抗震设防，建筑场地为II类场地,设计地震分组第一组。

为研究不同加强措施下钢框架-混凝土芯筒混合结构在地震作用下的协同工作性能, 在模型A的基础上建立3个有限元模型B、C、D，具体模型示意见图1～图6。、

模型B是在模型A的基础上，在钢框架上每隔10层布置一对X大型支撑。

图1　模型A平面

图2　模型A立面

图3　模型A透视

图4　模型B透视(支撑)

图5　模型C(伸臂及环向桁架)

图6　模型D(支撑+环向桁架)

模型C是在模型A的基础上，分别在10层、20层、30层、40层的钢框架和核心筒之间增设伸臂桁架，并在同一层的外圈钢框架上增设了环向桁架。

模型D在每隔10层布置一对X大型斜撑的基础上，分别在10层、20层、30层、40层的钢框架和核心筒之间增设伸臂桁架，并在同一层的外圈钢框架上增设了环向桁架，即是B、C模型的综合体。

3协同工作性能分析

3.1模态分析

对比结构模型A、B、C、D的前几阶模态对应的周期，表1为各模型前十阶周期比对。第一周期T均在合理的范围内{T=(0.06～0.08)n，n为楼层层数}。

表1　各模型前十阶周期比对　s

各基本模型结构平面布置虽然都是正方形，但由于内混凝土核心筒剪力墙布置在X、Y方向上有区别，造成了X、Y方向上刚度的不一致，导致结构在X、Y向上的平动周期有差别，但差别不大。由表1可以看出：

(1)模型B的各模态周期比基本模型A相对应周期要小。这是因为模型B在外钢框架上增设了大型支撑后，外钢框架的刚度得到加强，结构的整体刚度增大，周期减小。

(2)模型C的各模态周期介于模型A、模型B对应周期之间。模型C是在模型A的基础之上每隔十层增设一层伸臂及环向桁架。说明：增设伸臂桁架及环向桁架，外框架与芯筒连接更为紧密，结构的整体刚度增大，自振周期减小；增设伸臂桁架及环向桁架对整体刚度的贡献较设置大型支撑弱。

(3)模型D的各模态周期在四个结构模型中是最小的。说明同时增设大型支撑和伸臂及环向桁架对结构整体刚度贡献最大。

3.2结构侧移

结构的变形是衡量结构水平地震作用下协同工作性能的一个重要指标。结构模型的变形分析，主要分析楼层位移和层间角位移。对比模型A、B、C、D的楼层位移和层间位移角度，分析不同加强措施下混合结构的变形(图7)。

图7　水平地震作用下楼层层间位移角

顶点位移和最大层间位移角往往是高层建筑结构设计中的关键控制指标，对比模型A、B、C、D水平地震作用下的顶层位移和最大层间位移角见表2。

表2　模型顶层位移与最大位移层间位移角对比　rad/s

由以上分析可知:

(1)模型A的楼层侧移和层间位移角是最大的。

(2)模型B的楼层侧移和层间位移角比模型A小。模型B在外钢框架上增设了大型支撑后，外钢框架的刚度得到加强，结构的整体刚度增大，楼层侧移和层间位移角。

(3)模型C的楼层侧移和层间位移角介于模型A、模型B之间。模型C是在模型A的基础之上每隔十层增设一层伸臂及环向桁架。增设伸臂桁架及环向桁架，外框架与芯筒连接更为紧密，结构的整体刚度增大，自振周期减小；增设伸臂桁架及环向桁架对整体刚度的贡献较设置大型支撑弱。

(4) 模型D的楼层侧移和层间位移角在四个结构模型中最小。模型D在模型A的基础上同时增设大型支撑和伸臂及环向桁架，钢框架与芯筒得到更为有效充分的联系，结构整体刚度贡最大，水平荷载作用下楼层侧移和层间位移角相比其他模型大幅度减小。

(5)模型C、模型D在每隔10层设置了伸臂桁架和环向桁架处，楼层侧移及层间位移角在加强处就有突变。伸臂和环向桁架的设置使得该楼层刚度相对于相邻楼层发生了突变，层间抗侧刚度曾大，楼层侧移和层间位移角减小，出现了图示的位移折角。

3.3内力分析

钢框架-混凝土芯筒混合结构中框架与芯筒对剪力、弯矩的分配反应两者的协同工作性能。

四种模型水平地震作用下的底层剪力见表3。

表3　水平地震作用下模型底层剪力分配

分析比较四种模型水平地震作用下的底部弯矩在框架与芯筒之间的分配(表4)。

表4　水平地震作用下模型底层弯矩分配

以上分析得出：(1)水平地震作用下混凝土芯筒承担着大部分的弯矩和剪力。(2)设置加强措施之后，增大外钢框架的刚度及其与与芯筒的联系，可以分担水平荷载下的弯矩与剪力。(3)大型支撑的设置对外钢框架参与水平地震力作用下内力的分担优于伸臂及环向桁架，它能承担更多的地震剪力与弯矩。

3.4静力弹塑性分析

对各模型做静力弹塑性分析，研究结构在进入弹塑性阶段混合结构的性能表现，比较不同加强措施在地震作用下钢框架-混凝土芯筒混合结构协同受力性能的影响。

图8为各模型在静力弹塑性分析阶段的基底剪力—控制点位移曲线(平地震作用下结构位移最大的点作为控制点)。

增设大型斜撑，可以有效的提高外框架的刚度及结构整体刚度，相应的模态周期也在减小；有效的减小结构的楼层位移和层间位移角；地震作用下，外钢框架分担更多的地震剪力与弯矩，与芯筒的协同工作性能增强。

伸臂及环向桁架的设置提高结构的整体刚度，减小结构的楼层侧移和层间位移角，却容易使结构在竖向上刚度不连续，内力、位移等在加强处增大。

同时设置斜撑及伸臂环向桁架提高结构的整体刚度提高，位移、内外筒的内力分配也趋于合理，但提高的幅度较模型不明显。同时增加了结构设计的复杂性，且容易造成结构在竖向刚度的不连续，内力、楼层位移在加强处增大等问题。

5结束语

通过对钢、混凝土高层混合结构在不同加强措施下静力、侧移、静力弹塑性等的分析，研究钢、混凝土混合结构的协同工作性能表现，比较不同加强措施的优劣，为开展此类结构的设计提供参考。

(a)模型A

(b)模型B

(c)模型C

(d)模型D

[1]包世华，张铜生.高层建筑结构设计和计算(下册)[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]徐培福，傅学怡.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3]沈蒲生. 高层混合结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]R.W.Clough. and J.Penzien.结构动力学[M]. 王光远，译. 北京: 中国建筑工业出版社，1984.

[5]白国良,李红星,张淑云. 混合结构体系在超高层建筑中的应用及问题[J]. 建筑结构，2006,36(8).

[作者简介]龙立志(1984 ～ )， 男，苗族，工程师，主要从事结构设计工作。

【中图分类号】TU398+.9

【文献标志码】A

[定稿日期]2016-03-10