水平加强层刚度不同时框G筒结构变形性能分析

李亚娥,汪凡凡,曹　喆,王子龙(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　730050)

水平加强层刚度不同时框G筒结构变形性能分析

李亚娥,汪凡凡,曹喆,王子龙
(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050)

利用SAP2000有限元软件,对设置不同刚度水平加强层的框架G核心筒结构进行地震作用下反应谱分析,研究水平加强层设置对结构内力、位移的影响规律,以及结构加强层相邻层的内力变化情况,为框架G核心筒结构加强层的设计提出一些相关建议.

水平加强层;框架G核心筒结构;刚度;反应谱分析

引用格式:Li Yaƴe,Wang Fanfan,Cao Zhe,et al．Analysis on the Deformation Performance of FrameGtube StrucG tures with Different Stiffness in Horizontal Strengthened Storey[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):78G82．

[李亚娥,汪凡凡,曹喆,等．水平加强层刚度不同时框G筒结构变形性能分析[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):78G82．] doi:10．16468/j．cnki．issn1004G0366．2016．02．017．

当框架G核心筒结构的侧向刚度不能满足要求时,可利用建筑避难层、设备层空间,设置适宜刚度的水平伸臂构件[1],从而限制外框柱的位移,使核心筒和外框柱变形协调,达到增加结构刚度、减小结构水平位移的目的.但是,在地震作用下,设置加强层将会引起结构刚度和内力的突变,使得结构出现薄弱层[2,3].因此,加强层的合理选择及布置显得尤为重要.鉴于此,利用SAP2000有限元软件建立模拟算例[4],并对其进行地震作用下的反应谱分析[5],研究水平加强层刚度设置对结构内力、位移的影响规律,以及结构加强层相邻层的内力变化情况[6].

1　算例分析

1．1算例概况

依据我国«混凝土结构设计规范»[7],建立框架G核心筒结构模型,共32层,层高3 m,总高96 m,其结构图如图1所示.结构的柱截面尺寸1~10层1 100 mm×1 100 mm,11~21层900 mm× 900 mm,22~32层700 mm×700 mm;框架梁截面尺寸600 mm×250 mm;剪力墙厚度400 mm;普通层楼板厚150 mm,加强层楼板厚180 mm;加强层伸臂采用实体梁和斜腹杆桁架两种结构,其中梁式截面尺寸3 000 mm×600 mm,弦杆和斜杆均采用Q345B级H型钢,尺寸为H400 mm×400 mm× 13 mm×21 mm;柱与墙混凝土强度等级均为C45;梁与板混凝土强度等级均为C35.依据我国«建筑抗震设计规范»[8],假定建筑物的抗震设防类别为丙类,场地土为Ⅱ类场地土,抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第三组,设计地震加速度为0．20g,地面粗糙度为C类.

1．2计算方案

对算例做了五种结构布置方案,并对各方案进行了反应谱分析:

方案1:不设加强层;

方案2:加强层设于第19层(0．6 H),其水平伸臂为实体梁;

方案3:加强层设于第19层(0．6 H),其水平伸臂为斜腹杆桁架;

方案4:加强层设于第16层(0．5H)和32层(顶层),其水平伸臂为实体梁;

方案5:加强层设于第16层(0．5H)和32层(顶层),其水平伸臂为斜腹杆桁架.

图1　框架G核心筒结构图Fig．1　Drawing of frameGcore tube structure

2　计算结果

考虑到该结构平面布置比较规则,且在Y方向的抗侧移刚度相对较小,故只进行结构在Y方向地震作用下的反应谱分析,并列出计算结果.

2．1加强层对顶点位移和整体刚度的影响

结构顶点位移及下降率见表1.

由表1可看出,加强层的布置确实使得结构的顶点位移得到一定程度的减小,相对于无加强层的方案,其余四种方案的顶点位移分别减少了20．97%、17．98%、22．48%、21．02%.对方案2和方案3比较可以看到,设置斜腹杆桁架加强层的方案3的效果稍优,且相对于方案2,其下降率提高了2．99%.同理,对方案4和方案5比较可以看到,设置斜腹杆桁架加强层的方案5效果稍优,但效果不明显.

表1　结构顶点位移及下降率Table 1　Top structure displacement and rate of decrease

结构的振型周期见表2.

表2　振型周期Table 2　Vibration mode period

由表2可知,不同刚度水平加强层的设置对结构整体刚度的增强幅度是有影响的,增设加强层使结构的低阶自振周期相对于不设加强层的方案1明显变短,其中第一振型周期分别减小0．335 142 s、0．276 697 s、0．341 936 s、0．318 727 s.由表2还可以看出,设置一道加强层时,方案2比方案3对结构自振周期的减小效果较为明显;设置两道加强层时,方案4比方案5对结构自振周期的减小效果较为明显.

另外,结构的扭转振型在第三阶出现,第一振型为平动振型,不同的方案下二者的周期之比在0．47~0．56之间,均小于0．9(«高层建筑混凝土结构技术规范»中3．4．5条规定)[1],说明模型的结构刚度是合理的.

2．2加强层对外框架柱内力的影响

取轴线3和轴线A相交处的外框架柱,统计其在Y方向地震作用下的各层轴力值、剪力值、弯矩值,并绘制不同方案下的内力曲线图.

不同方案下柱的轴力曲线如图2所示.

图2　不同方案下柱的轴力曲线Fig．2　Axial force diagram of column in different plans

从图2可以看出,无加强层时,方案1柱的轴力沿楼层的高度是均匀减小的;在设置加强层以后柱的轴力不再均匀变化,在加强层左右轴力发生突变,之后又沿楼层的高度均匀减小,呈现出一种阶梯型的变化.其中,方案2和方案4设置梁式伸臂加强层柱的轴力突然增大;方案3和方案5设置斜腹杆桁架伸臂加强层下一层柱的轴力突然增大.

不同方案下柱的剪力曲线如图3所示.

从图3可以看出,无加强层时,柱的剪力增幅沿楼层是均匀变化的;在设置加强层以后,柱的剪力在加强层处以及与加强层相邻的上下两层都发生了突变,柱的剪力突然增大,其余各层柱的剪力过渡平稳,且均比无加强层时的剪力值小.以设置梁式伸臂加强层的方案2为例,无加强层时,18层的剪力为108．388 k N,19层的剪力为108．159 k N,20层的剪力为106．638 k N,21层的剪力为119．825 k N;设置加强层以后18层的剪力为49．58 k N,与无加强层时相比剪力值减小,19层的剪力增大到305．175 k N,与无加强层时相比增加幅度为2．8倍;20层的剪力增大到412．376 k N,与无加强层时相比增加幅度为3．8倍;21层剪力为20．306 k N,恢复正常且值减小.总之,方案2和方案4加强层及上下层剪力的增加幅度为2~4倍不等;方案3和方案5只表现在剪力值减小,但在加强层处的剪力突变没有方案2和方案4明显.

不同方案下柱底弯矩曲线如图4所示.

图3　不同方案下柱的剪力曲线Fig．3　Shear force diagram of column in different plans

图4　不同方案下柱底弯矩曲线Fig．4　Moment curve of the bottom of column in different plans

从图4可以看出,无加强层时,方案1柱底的弯矩值沿楼层是均匀变化的,当设置加强层后柱底的弯矩总体趋势减小,但是在加强层处各方案的弯矩突然增大,且设置加强层的刚度不同时,外框架柱柱底的弯矩突变的幅度也是不相同的.相比较方案2和方案4,方案3和方案5的弯矩增大更为明显,即加强层刚度增大,突变量也变大,不利于结构的抗震.

2．3加强层对筒体墙的影响

取轴线B上的筒体墙为研究对象,统计其在Y方向地震作用下的各层底部单位长度弯矩值和单位长度剪力值,并绘制不同方案下各自的曲线图.

不同方案下筒体墙底部单位长度弯矩曲线如图5所示.

图5　不同方案下筒体墙底部单位长度弯矩曲线Fig．5　Moment curve of the unit length of the bottom of the cylinder wall in different plans

从图5可以看出,无加强层时,筒体墙的底部单位长度弯矩沿楼层的高度均匀地减小;设置加强层以后,与方案1对比,发现其他各方案的筒体墙底部单位长度弯矩值整体呈减小趋势.但是,由于增加了一个水平的转动约束,使得筒体墙在加强层附近的单位长度弯矩骤然增大.以设置一道加强层为例,方案2在加强层处的增加幅度为3．8倍,在加强层上一层增加幅度为7．2倍;方案3在加强层处的增加幅度为2．5倍,在加强层上一层趋于稳定.另外,通过对方案2、方案4和方案3、方案5的比较发现,加强层设置梁式伸臂要比设置斜腹杆桁架伸臂时筒体墙的弯矩突变值更大,也就是说,加强层的刚度太大不利于结构的抗震.

不同方案下筒体墙底部单位长度剪力曲线如图6所示.

从图6可以看出,无加强层时,筒体墙的底部单位长度剪力随着高度的增加均匀变化;与方案1相比,加了加强层之后各方案其他层筒体墙底部单位长度剪力值都有所减小;在加强层处,筒体墙的单位长度剪力值发生突变,但是各方案之间区别不大.

图6　不同方案下筒体墙底部单位长度剪力曲线Fig．6　Shear force diagram of the unit length of the bottom of the cylinder wall in different plans

3　结论

利用SAP2000有限元软件建立框架G核心筒结构模型,通过对五种不同方案的反应谱分析,研究了带不同刚度加强层框架G核心筒结构各自的顶点位移、整体刚度、对框架柱以及筒体墙内力的影响,得出结论如下:

(1)设置加强层能明显提高结构的抗侧移刚度,有效地控制了结构的顶点位移,且两道加强层的结构抗侧刚度要明显大于一道加强层的抗侧刚度.另外,加强层对顶点位移的控制程度还与加强层的位置和刚度有关.

(2)结构设置加强层后,在地震作用下外框架柱的内力不能随着层高均匀分布,且在加强层及上下两层左右受到比较大的影响;并且,随着加强层刚度的不同,这种内力突变尤为明显.因此,在结构设计中,控制侧向位移的同时更要关注内力的突变,选择合理的加强层刚度.

(3)随着加强层刚度的提高,加强层及附近层筒体墙底部的单位长度弯矩和剪力突然增大.因此,若以减小筒体墙的单位长度弯矩和剪力为目标,加强层的设置可选择刚度较小的方案.

[1]中国建筑科学研究院．JGJ3G2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]．北京:中国建筑工业出版社,2010．

[2]李亚娥,王栋,张立俊,等．带加强层的框架G核心筒结构工作性能分析[J]．甘肃科学学报,2008,20(3):134G138．

[3]胡妤,赵作周,贺小岗,等．钢筋混凝土框架G核心筒结构抗震性能研究[J]．工程力学,2014,31(S1):59G61．

[4]北京金土木软件技术有限公司．SAP2000中文版使用指南[M]．第2版．北京:人民交通出版社,2006．

[5]黄吉锋,邵弘,杨志勇．复杂建筑结构竖向地震作用的振型分解反应谱分析[J]．建筑结构学报,2009,30(S1):110G114．

[6]袁毅．高层结构加强层对其相邻层影响研究[D]．成都:西南交通大学,2009．

[7]中国建筑科学研究院．GB50010G2010混凝土结构设计规范[S]．北京:中国建筑工业出版社,2010．

[8]中国建筑科学研究院．GB50011G2010建筑抗震设计规范[S]．北京:中国建筑工业出版社,2010．

Analysis on the Deformation Performance of FrameGtube Structures with Different Stiffness in Horizontal Strengthened Storey

Li Yaƴe,Wang Fanfan,Cao Zhe,Wang Zilong
(School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

By adopting SAP2000,we conduct response spectrum analysis of frameGcore tube structures by setting different stiffness in horizontal strengthened storey under earthquake action,research about the inG fluence law of horizontal strengthened storey setting on structural internal force and displacement,and the internal force change of adjacent layer in horizontal strengthened storey,to provide some relevant advises on the design of the strengthened storey of frameGcore tube structures．

Horizontal strengthened storey;FrameGcore tube structures;Stiffness;Response spectrum aG nalysis

TU973＋．17

A

1004G0366(2016)02G0078G05

2014G12G31;

2015G02G16．

李亚娥(1965G),女,陕西西安人,副教授,硕士生导师,国家一级注册结构工程师,研究方向为复杂高层建筑结构．EGmail:463243906＠qq．com．