不同斜交网格结构平面形式对斜交结构节点的变形影响研究

叶 海

(西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

斜交网格结构作为高层建筑的外筒结构，不仅外观优美，其结构抗侧能力也较好；斜交网格结构形式灵活多变，但对于斜交网格结构在结构形式上的理论研究还不够完善，为了实现对斜交网格结构在平面形式和节点形式的优化设计提供理论依据，综合研究斜交网格结构平面形式与斜交节点的相关性能是具有重要的意义的[1-6]。

目前，国内外对斜交网格结构在结构基本性能的研究上已经基本完善，但对于综合斜交节点与平面形式之间相关的研究却鲜有研究；刘成清、罗馨怡得到了斜交网格外筒在竖向荷载作用下不同斜交节点的连接形式对斜交结构外鼓的影响[7]，但在结构平面形式研究却未有涉及；吕兴远考虑了在侧向荷载作用下斜交节点连接方式对斜交结构的变形影响[8]，但没有涉及结构平面形式上的研究；黄超、韩小雷等考虑了结构平面形式对斜交网格结构抗侧性能的影响，但都主要基于斜交角度作为参数来研究，并未考虑到斜交节点连接方式的相关研究[9]。以上研究都对本文研究不同斜交网格平面形式对在不同节点连接形式下斜交网格结构的变形影响特点提供了依据。

研究斜交结构的平面形式、斜交节点对结构形式的设计选择和节点的施工便利性具有一定的意义，从而达到在平面形式以及斜交节点的优化设计提供理论依据的目的。

1 模型建立

建立平面形式为四边形、六边形、十二边形的筒中筒结构的有限元模型，模型的层高均为3.6 m，共30层，总高108 m，其模型从下至上内外筒斜柱采用方钢管，其截面尺寸和材料均相同；其连系梁、主环梁、次环梁均采用工字型钢，其截面尺寸和材料均相同，其斜柱与梁材料均采用Q345钢材，结构底层支座处为固定端约束，环梁在斜柱节点处相交层称为主环梁结构层，其余称为次环梁结构层[10-11]，本文以保证平面形式为四边形、六边形、十二边形的三种模型用钢量基本相同，斜交角度基本相同，斜柱数相同来进行有效对比，故其不同平面形式的斜交结构建模数据如表1所示。

为了更好地研究节点对斜交网格结构整体性能的影响，排除结构板对斜交结构的节点约束作用，故本文所建立的简易模型没有结构板(图1)[9-12]。

(b) 六边形

(c) 十二边形

由于以上三种斜交结构平面形式为对称型，故可取结构平面形式为四边形的三条线路，六边形的两条线路，十二边形的一条线路来囊括其各自在荷载作用下每层最大侧向位移和竖向位移，其每条线路由虚线标识(图2)。

2 计算结果与分析

2.1 竖向荷载下结构变形

经过SAP2000有限元分析得到平面形式为四边形、六边形、十二边形的斜交结构在竖向荷载和侧向倒三角荷载作用下斜交网格结构模型的竖向位移和侧向位移，通过划分不同平面形式的位移线路，故可得其斜交结构在刚接情况下的侧向位移如图3。但为了更好地分析和研究，本文又将不同平面形式下分析的位移线路数据分别进行最大值包络处理，其可分别得到结构在刚接、铰接情况下的竖向位移和侧向位移如图4、图5。

(a) 四边形-1

(b) 四边形-2

(c) 四边形-3

(d) 六边形-1

(e) 六边形-2

(f) 十二边形-1

图3 刚接-侧向位移

(a)刚接

(b)铰接图4 侧向位移包络图

2.2 不同斜交节点连接形式下斜交外筒变形

由图4可知，在竖向荷载的作用下，斜交网格结构整体变形形态基本相似。节点刚接时，其楼层侧向位移呈凹凸规律，并无太大突变，平面形式为十二边形与四边形、六边形时的斜交结构对比，可发现在平面形式为十二边形时的结构下部楼层侧向位移较大，在结构上部则反之；节点铰接时，结构平面形式为六边形和十二边形时，其楼层侧向位移大致呈凹凸规律，且在主环梁层都有位移突变增大，且结构平面形式为十二边形较六边形在第十层主环梁层位移突变大，在第二十层处位移突变则相较反之。

但对比三种平面形式下可以发现，其结构平面形式为四边形时，其位移突变楼层增多，且突变幅度较平均，与结构平面形式为六边形和十二边形时对比较小些。整体来讲，无论斜交结构平面形式为何种形状，其斜交网格结构在竖向荷载作用下，斜交节点为铰接时的位移都大于斜交节点刚接时的位移。

由图5可知，在竖向荷载的作用下，斜交结构整体变形形态基本相似，节点刚接时，结构楼层竖向位移相差甚小，平面形式为四边形时，楼层竖向位移稍小；节点铰接时，平面形式为六边形和十二边形时，其从下到上其楼层竖向位移逐渐增大，且在主环梁层都有位移突变增大。但对比三种平面形式下可以发现，其平面形式为四边形时，其位移突变楼层增多，楼层竖向位移忽大忽小，且位移突变幅度较与平面形式为十二边形和六边形时偏大。

2.3 侧向倒三角荷载下结构变形

同理，可得其斜交结构在刚接情况下的侧向位移如图6，得到结构在刚接、铰接包络情况下的竖向位移和侧向位移如图7、图8。

(a)刚接

(b)铰接图5 竖向位移包络图

图6 刚接-侧向位移

(a)刚接

(b)铰接图7 侧向位移包络图

2.4 不同斜交节点连接形式下斜交外筒变形

由图7可知，在侧向倒三角荷载的作用下，斜交网格结构整体侧向变形形态在结构平面形式为六边形和十二边形时相似。结构平面形式为四边形时，其结构整体变形形态与其相差较大。节点刚接时，其结构平面形式为六边形和十二边形时，其楼层侧向位移呈凹凸规律，并无太大突变。结构平面形式为四边形时，结构从下到上其楼层侧向位移逐渐增大，对比其楼层侧向位移基本都大于结构平面形式为六边形和十二边形的情况下的侧向位移，且楼层越高越大的多，并无位移突变；节点铰接时，结构平面形式为六边形和十二边形时，其楼层侧向位移大致呈凹凸规律，且在主环梁层都有位移突变增大，且结构平面形式为十二边形较六边形在第十层主环梁层位移突变较大，在第二十层处位移突变则相较反之。

但对比三种结构平面形式下可以发现，其平面形式为四边形时，其位移突变几乎没有，且对比其它楼层侧向位移，除了第十层主环梁位移突变处，其基本都大于结构平面形式为六边形和十二边形的情况下的侧向位移。整体来讲，无论斜交结构平面形式为何种形状，其斜交网格结构在竖向荷载作用下，斜交节点为铰接时的位移都大于斜交节点刚接时的位移。

(a)刚接

(b)铰接图8 竖向位移包络图

由图8可知，在侧向倒三角荷载的作用下，斜交网格结构整体竖向变形形态相似。节点刚接时，其楼层竖向位移相差甚小，且结构平面形式为四边形时的楼层竖向位移偏小；节点铰接时，结构平面形式为六边形和十二边形时，其楼层从下到上楼层竖向位移逐渐增大，且在主环梁层都有位移突变增大，但对比三种平面形式下可以发现，其结构平面形式为四边形时，其位移突变楼层增多，楼层竖向位移忽大忽小，且突变幅度与结构平面形式为十二边形和六边形时对比较大些。

3 结论

通过有限元软件SAP2000建立斜交网格筒体结构模型，模拟其受力变形，得到如下结论：

(1)对比其不同结构平面形式下的斜交网格结构，在荷载作用下，斜交节点为铰接时的竖向位移和侧向位移都大于斜交节点刚接时的位移，除了在侧向倒三角荷载作用下的侧向位移其结构整体变形形态有较大区别，其它情况时，其结构整体变形形态基本相似。

(2)对比其不同结构平面形式下的斜交网格结构在节点铰接时，在楼层发生位移突变增大，其结构平面形式为六边形和十二边形时，其主要的位移突变楼层在主环梁层；其结构平面形式为四边形时，其位移突变楼层增多，突变幅度较平均。

(3)结构平面形式为四边形时，在侧向倒三角荷载作用下，对比其楼层最大侧向位移基本都大于结构平面形式为六边形和十二边形时的侧向位移，且楼层越高越大的越多，且无论在铰接或刚接情况下都无楼层位移突变。

(4)对于不同结构平面形式的斜交网格结构而言，其结构平面形式越接近圆形，虽然其结构竖向变形有稍微增大，但在节点铰接时，楼层的变形突变性小；虽然其在主环梁层刚接时结构侧向变形较大，且在节点铰接时主环梁层有较大的位移突变增大，但其余楼层的变形较小，位移突变楼层较少。