超高层装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构在不同场地特征周期下的地震响应

郑晋阳，马克俭，魏艳辉，宋 赟，汤明乐

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

超高层装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构在不同场地特征周期下的地震响应

郑晋阳，马克俭*，魏艳辉，宋 赟，汤明乐

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

采用振型分解反应谱法分析了在不同场地特征周期下传统装配型钢密柱与混凝土核心筒组成的筒中筒混合结构和新型装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构的地震响应，包括层剪力，层间位移和层间位移角。分析表明，新型盒式筒中筒结构与传统混合筒中筒结构在不同场地特征周期下地震响应具有相似的变化规律，因此可以借鉴传统混筒中筒混合结构的地震响应规律来评价新型盒式筒中筒混合结构的抗震性能。

超高层结构，装配整体式，盒式结构，筒中筒结构，场地特征周期

超高层建筑结构的地震响应是结构抗震设计的重点之一，研究对超高层建筑结构地震响应的相关参数具有重要意义。建筑结构的地震响应不仅与结构自身的周期有关，同时与建筑物所处的场地结构、震源的距离、地震等级和震源诱发机制有关,当场地特征周期与结构自振周期相近时，结构的地震响应会放大。通常，在结构抗震设计中为了快速有效的评价多遇地震下的弹性性能，一般采用抗震规范[1]规定的振型分解反应谱法，即通过烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比等参数确定在各个振型下的地震影响系数，然后计算结构的地震响应。超高层建筑一般为长周期结构(基本周期T>3s)，场地特征周期小于1s,地震作用对结构第一阶振型影响较少，不能忽视高阶振型的影响。

本文将采用振型分解反应谱法分析新型超高层装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构和传统装配型钢密柱与混凝土核心筒组成的筒中筒混合结构(简称传统混合筒中筒结构)在抗震规范规定的不同场地特征周期下的地震响应的规律，为新型盒式筒中筒混合结构的工程抗震设计与抗震性能评估提供一定的指导。

1 超高层装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构

1.1 装配整体式钢空腹夹层板楼盖

装配整体式协同式钢空腹夹层板楼盖是一种新型楼盖，由马克俭院士提出并于2007年申请国家实用型专利[2],如图1所示。协同式钢空腹夹层板是由上肋、下肋和方钢管剪力键组成的双层网格板，其中上肋和下肋为T型钢或H型钢。从力学性能上，协同式钢空腹夹层板楼盖需要考虑剪切变形的“拟夹芯板”，而传统由H型钢组成的密肋楼盖则只是考虑弯曲变形的弹性薄板。根据楼板形状合理划分装配单元并在工厂加工制作,施工时运至现场,在网格节间中点处采用高强螺栓连接,如图2所示。拼装完成后,在上肋焊接栓钉或抗剪钢筋,然后安装局部模板浇筑细石混凝土板,形成钢-混凝土协同式钢空腹夹层板楼盖结构[3]。协同式钢空腹夹层板楼盖板具有自重轻,跨度大的特点,可应用于大柱网结构以及大跨度屋盖结构中，装修时采用轻质隔墙可实现建筑平面的灵活划分。

1.2 装配式网格墙架筒体

装配式网格墙架筒体是由装配式网格式墙架围成的筒体结构，如图3所示。网格墙架是由外筒柱和多道层间梁组成。外筒柱柱距由横向钢空腹夹层板网格间距确定，柱与柱之间布置2～3道层间梁，层间梁的间距按照窗户的大小取值。与常规框架相比，其力学模型为具有剪切变形的“网格板”，抗剪刚度大大提高，具有剪力墙的力学特点。根据外形平面尺寸划分网格墙架为装配式单元，如图4所示，由工厂预制，在工地现场采用高强螺栓等连接，在保证施工质量的前提下，可以加快施工速度，缩短工期。

图1 装配整体式协同式钢空腹夹层板 图2 钢空腹夹层板装配

图3 竖向网格式盒式墙架筒体 图4 网格式墙架 图5 空间钢网格盒式筒中筒结构

1.3 装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构

装配式正交斜放空间钢网格盒式筒中筒混合结构[4](简称盒式混合筒中筒结构)是由现浇钢筋混凝土核心筒、外围竖向装配式钢网格架筒体和横向装配整体式协同式钢空腹夹层板楼盖组成,如图5所示。与传统装配式筒中筒混合结构的区别在于竖向的钢网格盒式筒和横向的协同式钢空腹夹层板。钢空腹夹层板网格尺寸通常在2-2.5m之间，竖向墙架网格与楼盖相同，横向钢空腹夹层板采用正交斜放布置方式将比正交正放方式提高竖向墙架网格尺寸1.41倍，即可达到3m-3.6m,也使钢空腹夹层板受力分布更加均匀。

2 计算模型与主要设计参数

本拟建工程为超高层写字楼,平面尺寸为36m×36m。抗震设防烈度为7度(0.1g),修正基本风压取0.45kN/m2,结构阻尼比为0.04。

2.1 传统混合筒中筒结构

主梁采用H750×300×8×16,1-5层的建筑层高为3.9m,6-58层为3.7m，结构总高度为215.6m。柱距3.6m。采用钢筋混凝土楼盖，板厚120mm，结构标准层划分及主要构件尺寸为表1所示；结构布置图为图6～图7。

表1 传统混合筒中筒结构主要构件尺寸

2.2 空间钢网格盒式筒中筒混合结构

钢空腹夹层板楼盖(含自动喷淋)厚度为450mm，1-5层的建筑层高为3.45m,6-66层为3.25m,结构总高度为215.5m。结构标准层划分及主要构件尺寸为表2所示；结构平面布置图为图8～图10。

表2 空间钢网格盒式筒中筒混合结构主要构件尺寸

图6 传统混合筒中筒 图8 盒式混合筒中筒 图9 盒式结构筒中筒结构标准层轴测图 结构标准平面图 结构标准层平面图

图7 传统混合筒中筒 图10 盒式混合筒中筒 结构整体模型图 结构整体模型图

3 不同场地特征周期下的地震反应谱

抗震规范采用表3的场地特征周期来反应不同场地类别和设计地震分组。根据抗震规范得到了在阻尼比为0.04，设防烈度为7度(0.1g)多遇地震的反应谱,即最大地震影响系数一定的情况下，不同场地特征周期下反应谱的地震影响系数，如图11所示。为了研究在不同周期下不同场地特征周期的地震影响系数，采用了比例系数ω(即某一周期下不同场地特征周期的地震影响系数α与场地特征周期0.65s时的地震影响系数α的比值)来反应地震影响系数的变化幅度，如图12所示。由图12可以看出，在周期T小于1s范围内，不同周期下的地震影响系数α变化很大；在周期T在1s～4s范围内，不同周期下的ω变化程度逐渐减小；在周期T大于4s时，不同场地特征周期下的地震影响系数α变化程度已经很小且接近线性变化，场地特征周期Tg每增加0.05s,比例系数ω增加2.5%左右。

表3 规范所采用的场地特征周期Tg

注：表中实线框内为本文所采用的场地特征周期。

图11 不同场地特征周期的反应谱

图12 地震影响系数比例系数ω

4 结构分析与计算

采用有限元软件Midas/Building分别计算两

种结构在多遇地震作用不同场地特征周期Tg下的结构响应。表4和表5为不同场地特征周期下结构在第一阵型主方向的结构响应，图13为结构响应比例系数ω与场地特征周期Tg的关系。由图13可以看出，场地特征周期每改变0.05s,两种结构的最大层间位移角比例系数增加3%左右，基底剪力比例系数增大2.3%左右，倾覆弯矩比例系数增大2.5%左右，与长周期段地震影响系数比例系数相比，最大层间位移角偏大，基底剪力比例系数与倾覆弯矩比例系数相近。说明最大层间位移角受高阶振型影响程度比基底剪力和倾覆弯矩大。

表4 空间钢网格盒式筒中筒混合结构地震响应(x向)

表5 传统混合筒中筒结构地震响应(Y向)

图13 地震响应比例系数变化

图14和图15分别为盒式混合筒中筒结构和传统混合筒中筒结构在不同场地特征周期下的地震响应，反应了各指标的层间变化情况。

图14(a)和图15(a)为层间位移角，两种结构的变化趋势相同，都是先增大后减小，层间位移角在高度75%左右达到最大值，场地特征周期每增加0.05s,层间位移角增大3%左右。

图14(b)和图15(b)为层间位移角比例系数，基本呈“S”形态，第一反弯点出现在总高度的69%左右，在同一场地特征周期下在结构高度1/3区段内变化幅度较小，场地特征周期每增加0.05s，层间位移角比例系数增加3%左右。

图14(c)和图15(c)区段为层剪力比例系数，两种结构曲线变化一致，在同一场地特征周期下比例系数变化幅度很大，在0～13%高度范围增加幅度很小，在13%～34%高度范围，比例系数程线性增加，在34%～69%高度范围比例系数基本维持不变，在69%～90%高度范围，比例系数线性减少，与13%～90%的线性斜率基本相等，在90%～100%高度范围，比例系数线性减少；随着场地特征周期的增加，比例系数增加段和降低段的增加或降低的幅度增加；盒式结构在场地特征周期小于0.55s范围，比例系数存在明显的平台段，在场地特征周期大于0.75s范围，比例系数的变化曲线同三阶平动反应谱相似；传统结构在场地特征周期小于0.4s,比例系数曲线存在明显的平台段，场地特征周期大于0.45s，呈三阶平动谱形态；两种结构都随着场地特征周期的变长，平台段的范围逐渐减小。

图14(d)和图15(d)区段为倾覆弯矩比例系数，在同一场地特征周期下，比例系数在90%高度以下逐渐减少，超过90%以上时，又逐渐增加；随着场地特征周期增加，比例系数在90%高度以下减少的幅度逐渐减小。

图14 盒式混合筒中筒结构

图15 传统混合筒中筒结构

5 结论

超高层盒式混合筒中筒结构和传统混合筒中筒结构的地震响应会随着场地特征周期的增大而增加，且具有一定的变化规律。

(1)超高层盒式混合筒中筒结构和传统混合筒中筒结构，在不同场地特征周期下的地震响应，如层剪力、层间位移角、倾覆弯矩具有相似的变化规律。

(2)在不同场地特征周期下，层剪力比例系数和倾覆弯矩比例系数和长周期段地震影响系数比例系数相近，最大层间位移角比例系数比长周期段地震影响系数比例系数大，最大层剪力比例系数受高阶振型的影响程度大于层剪力比例系数和倾覆弯矩比例系数。

(3)超高层盒式混合筒中筒结构和传统混合筒中筒结构的层间位移角比例系数、层剪力比例系数和倾覆弯矩比例系数变化规律相同，层间位移角比例系数、层剪力比例系数和倾覆弯矩比例系数沿楼层分布具有不同的规律。

(4) 超高层盒式筒中筒结构和传统混合筒中筒结构在水平地震作用下响应具有相似性，传统混合筒中筒结构的抗震理念和方法可以应用于超高层盒式混合筒中筒结构。

[1] GB50011-2010, 建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010:33.

[2] 马克俭, 杨大春, 覃士杰, 等. 装配整体式平板型或曲面型钢空腹网格结构[P].中国:200720201111, 2007.

[3] 张华刚, 黄勇, 马克俭. 钢空腹夹层板在建筑楼盖改造中的应用[J]. 贵州工业大学学报(自然科学版),2003,32(4):83-87.

[4] 马克俭等. 钢筋混凝土核心筒与装配整体式空间钢网格的筒中筒结构[P]. 中国: 201110348963.7, 2012.

(责任编辑：王先桃)

The Semitic Response of the Assembly Integral Spatial Steel Grid“Tube-In-Tube” Cassette Super High-rise Structures in Different Characteristic Period

ZHENG Jinyang, MA Kejian*, WEI Yanhui, SONG Yun, TANG Mingle

(Space Structure Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

By response spectrum analysis in different site characteristic period seismic the seismic response of two super high-rise buildings, the traditional hybrid tube in tube composed with the assembly steel column and concrete core tube and the box hybrid tube in tube composed with the orthogonal diagonal collaborative type steel open web plate floor and the grid steel frame wall structure, was obtained, including the base shear force, story drift, the story drift angle. The results show that the seismic response of two different super high-rise structure is similar ,and the property of seismic response, design method and the seismic performance of the traditional hybrid tube in tube structure is applied to the box hybrid tube in tube structure.

high- rise building; assembly; cassette structure; tube in tube; site characteristic period

1000-5269(2016)06-0083-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.19

2016-11-23

“十二五”国家科技支撑计划(2011BAJ09B01-01)

郑晋阳(1989- )，男，在读硕士，研究方 向：高层与超高层盒式结构，Email:zjyssrc@163.com.

*通讯作者： 马克俭，Email:makejian2002@163.com.

TU973.17

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