孫敬明，馬克儉，陳紅鳥，申　波，白志強，劉卓群

(貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心， 貴州貴陽550003)

?

高烈度區(qū)鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

孫敬明，馬克儉，陳紅鳥，申波，白志強，劉卓群

(貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心， 貴州貴陽550003)

摘要:為研究新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)在大震作用下的力學(xué)性能，包括結(jié)構(gòu)自振特性，結(jié)構(gòu)剪力分配規(guī)律，傾覆彎矩分配規(guī)律，側(cè)移分布規(guī)律，剪力滯后現(xiàn)象等。以某高烈度區(qū)擬建工程為背景，采用MIDAS軟件，對比了盒式筒中筒結(jié)構(gòu)和常規(guī)框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能差異。分析結(jié)果表明：與筒中筒結(jié)構(gòu)和框架—核心筒結(jié)構(gòu)相比，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)具有更小的剪力滯后現(xiàn)象，更大的抗側(cè)剛度和抗剪剛度，更好的抗震性能和整體協(xié)同工作能力，經(jīng)濟效益顯著。

關(guān)鍵詞:高烈度區(qū)；空間鋼網(wǎng)格；盒式結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；經(jīng)濟效益

0引言

隨著現(xiàn)代建筑高度的發(fā)展，鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)體系在高層建筑中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[1]。馬克儉院士課題組提出的新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)，可有效擺脫傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的有墻就有梁的限制，具有靈活劃分房間布局多功能應(yīng)用的特點。該結(jié)構(gòu)體系承載能力強、延性好等特點，因此具有較強的抗風(fēng)和抗震能力。目前該結(jié)構(gòu)體系已在中國南車集團貴陽新產(chǎn)業(yè)基地大自然工業(yè)廠房(圖1)、貴州酒店、江蘇鎮(zhèn)江超高層寫字樓等低烈度地區(qū)應(yīng)用。鋼筋混凝土密肋網(wǎng)格式框架—核心筒盒式結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于高烈度地區(qū)——唐山建華工程質(zhì)量檢測中心大樓(圖2)，但新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)尚未應(yīng)用于高烈度地區(qū)。盡管新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)體系與常規(guī)結(jié)構(gòu)中的筒中筒結(jié)構(gòu)、框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系在平面形式上十分相似，但由于網(wǎng)格式框架和協(xié)同式鋼空腹夾層板的差異，其受力性能和常規(guī)結(jié)構(gòu)中的筒中筒結(jié)構(gòu)、框架—核心筒結(jié)構(gòu)有著很大的不同。

本文以云南省昆明市某擬建寫字樓為例，建立新型裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)(以下簡稱“盒式筒中筒結(jié)構(gòu)”)。通過2個內(nèi)筒與它相似，外筒分別為稀柱框架和密柱深梁框架建立常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)(以下簡稱“筒中筒結(jié)構(gòu)”)和常規(guī)鋼框架—核心筒結(jié)構(gòu)(以下簡稱“框筒結(jié)構(gòu)”)的有限元數(shù)值模型。鑒于高烈度地區(qū)建筑對結(jié)構(gòu)安全性有更高要求，本文通過有限元數(shù)值模型詳細對比分析了盒式筒中筒結(jié)構(gòu)與常規(guī)筒中筒結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的差異。

圖1大自然工業(yè)廠房

Fig.1Nature industrial plant

圖2唐山建華工程質(zhì)量檢測中心大樓

Fig.2Tangshan Jianhua engineering

quality test center building

圖3　網(wǎng)格式框架Fig.3　Net frame

1盒式筒中筒結(jié)構(gòu)體系

盒式筒中筒結(jié)構(gòu)是由鋼網(wǎng)格式框架和混凝土核心筒組成。其中鋼網(wǎng)格式框架是由鋼網(wǎng)格式墻架和協(xié)同式鋼空腹夾層板構(gòu)成[2]。

鋼網(wǎng)格式框架(圖3)是由網(wǎng)格式墻架和協(xié)同式鋼空腹夾層板組成，網(wǎng)格式墻架是由外筒柱、多道層間梁和現(xiàn)澆磷石膏為填充墻構(gòu)成。外筒柱柱距一般取1.5～3 m，柱與柱之間布置2～3道層間梁，層間梁的間距一般按照窗戶的大小取值，尺寸一般按照構(gòu)造選取[3-4]。常規(guī)結(jié)構(gòu)的填充墻是非承重墻，僅起到圍護和分隔作用，重量由梁柱承擔(dān)，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比豎向鋼網(wǎng)格式墻架具有較小的“剪切變形”，其抗剪剛度可以大幅度提高，而且內(nèi)力分布均勻，具有剪力墻的力學(xué)特點。而且現(xiàn)澆磷石膏為填充墻可以使工業(yè)固體廢渣資源化，可持續(xù)發(fā)展及節(jié)約資源[5]。

協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋[6-7]由鋼—混凝土組合空腹夾層板構(gòu)成，其中鋼空腹夾層板是由T型鋼上肋、下肋和剪力鍵組成，網(wǎng)格尺寸一般是1.5～2.5 m，且不少于5格，夾層板結(jié)構(gòu)厚度一般取為h=(1/25～1/30)l(l為短跨)。剪力鍵由方鋼管制成，它的邊長D與凈高h0之比D/h0≥1。

2分析模型

云南省昆明市某擬建一高層寫字樓共28層，除第一層層高為5.3 m，其余每層層高為3.6 m，結(jié)構(gòu)總高度為102.5 m。抗震設(shè)防烈度是8度(0.2 g)，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期是0.40 s，結(jié)構(gòu)阻尼比是4%。地面粗糙類別B類，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2。三個模型中框架梁與柱均采用H型鋼，角柱采用□型鋼，材料均為Q345，剪力墻混凝土強度等級為C50、C45、C40，樓板均為C30。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]“11.2.4”規(guī)定：8、9度抗震設(shè)計時，應(yīng)在樓面鋼梁或型鋼混凝土梁與混凝土筒體交接處及混凝土筒體四角墻內(nèi)設(shè)置型鋼柱。三個模型鋼梁與混凝土剪力墻筒體交接處均設(shè)置型鋼柱，型鋼柱尺寸如圖4所示。

盒式筒中筒結(jié)構(gòu)模型中恒荷載為1.5 kN/m2(不包括結(jié)構(gòu)自重)，鋼空心夾層板厚度為80 mm，樓面活荷載為3.5 kN/m2(考慮隔墻線荷載折算為面荷載)。柱距是3 m，標(biāo)準(zhǔn)層層間梁的布置是由下往上間距依次為0.8 m，2.0 m，0.8 m?？崭沽旱慕孛娉叽缛鐖D5所示。等代后的實腹梁的尺寸為450 mm×150 mm×14 mm×16 mm。

圖4型鋼混凝土柱截面尺寸

Fig.4Section size of steel reinforced concrete column

圖5空腹梁截面尺寸

Fig.5Hollow beam section size

筒中筒結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)模型中恒荷載與活荷載與盒式結(jié)構(gòu)取值相同。筒中筒結(jié)構(gòu)柱距為3 m，框筒結(jié)構(gòu)柱距X方向是5 m，Y方向是6 m。常規(guī)結(jié)構(gòu)中單向板樓板厚度一般為跨度的1/25l～1/35l，雙向板樓板厚度一般為跨度的1/40l～1/45l[9]。故筒中筒結(jié)構(gòu)模型中混凝土樓板厚度為120 mm，框筒結(jié)構(gòu)模型中混凝土樓板厚度為150 mm。三種結(jié)構(gòu)有限元模型剪力墻核心筒布置相同。為了分析方便，三個有限元模型地下室頂板作為嵌固端，模型只計算上部結(jié)構(gòu)部分。有限元數(shù)值模型構(gòu)件尺寸如表1。圖6，圖7和圖8為三種結(jié)構(gòu)平面布置圖。

表1　結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸截面

圖6盒式筒中筒結(jié)構(gòu)

Fig.6Cassette tube-in-tube structures

圖7筒中筒結(jié)構(gòu)

Fig.7Tube-in-tube structures

圖8框筒結(jié)構(gòu)

Fig.8Frame tube structures

3力學(xué)性能分析

3.1結(jié)構(gòu)的自振特性

圖9　結(jié)構(gòu)自振周期Fig.9　Structure natural vibration period

為了驗證有限元數(shù)值模型的可靠性，分別采用PKPM2010與MIDAS軟件建立模型并對三種模型進行反應(yīng)譜分析對比。計算時結(jié)構(gòu)模型均采用剛性樓板假定，使振型參與質(zhì)量均達到總質(zhì)量的90%以上，計算出的自振周期取前六階進行對比分析，如圖9所示。

從圖9可以看出，三個模型通過兩個軟件計算周期相差均在5%以內(nèi)。說明兩種軟件建立的模型均具有一定的可靠性。以下僅以MIDAS模型的分析數(shù)據(jù)進行說明。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)前三階自振周期為1.851 1 s，1.765 3 s,1.372 0 s；筒中筒結(jié)構(gòu)前三階自振周期為1.984 0 s，1.875 3 s,1.491 0 s；框筒結(jié)構(gòu)前三階自振周期為2.142 5 s，2.022 9 s,1.628 5 s。三種結(jié)構(gòu)體系前三階動力特性依次為X向平動，Y向平動，扭轉(zhuǎn)。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的周期比為0.74，筒中筒結(jié)構(gòu)的周期比為0.75，框筒結(jié)構(gòu)的周期比為0.76。通過三個有限元模型比較可知，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的自振周期最短，框筒結(jié)構(gòu)的自振周期最長?？蛲步Y(jié)構(gòu)周期比盒式筒中筒結(jié)構(gòu)大了15.7%，筒中筒結(jié)構(gòu)的周期比比盒式筒中筒結(jié)構(gòu)大7.2%?？梢?，三種結(jié)構(gòu)的抗扭剛度均比較大，但是盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的剛度大于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)。此外，X方向是結(jié)構(gòu)的薄弱方向，以下分析僅以X方向的計算結(jié)果進行說明。

3.2剪力分配規(guī)律

在大震作用下，框架和核心筒剪力相對于小震時都有較大的提高。除了剪力數(shù)值變化以外，由于外框架和核心筒塑性鉸的不同發(fā)展規(guī)律，隨著地震作用的增強，外框架和核心筒剪力沿高度變化規(guī)律也會有很大不同[10-11]。圖10(a)為三種結(jié)構(gòu)體系框架承擔(dān)剪力的比例與樓層的關(guān)系，圖10(b)，圖10(c)為三種結(jié)構(gòu)體系外框架分別在中震、大震時的剪力與小震剪力的比值關(guān)系曲線。

(a) 框架承擔(dān)剪力比例與樓層曲線

(b) 中震與小震剪力比值曲線

(c) 大震與小震剪力比值曲線

圖10剪力分配規(guī)律

Fig.10Shear force distribution rule

從圖10(a)可以看出，在小震作用下盒式筒中筒結(jié)構(gòu)網(wǎng)格式框架承擔(dān)的剪力比值>筒中筒結(jié)構(gòu)>框筒結(jié)構(gòu)。從圖10(b)可以看出，三種結(jié)構(gòu)在中震時均未出現(xiàn)塑性鉸，中震時均處于彈性狀態(tài)，其內(nèi)力與變形是成比例變化的。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)中震剪力比為2.68，筒中筒結(jié)構(gòu)中震剪力比為2.36，框筒中震剪力比為2.29。從10(c)可知，進入大震階段后，由于下部樓層核心筒的塑性鉸發(fā)展，核心筒剪力墻向外框架卸載，相應(yīng)樓層框架承擔(dān)的剪力增長速度遠大于上部樓層。隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，外框架增長速度逐漸減小，超過13層時速度趨于穩(wěn)定。但盒式筒中筒結(jié)構(gòu)中震剪力比和大震剪力比均大于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)。

以上分析表明，三種結(jié)構(gòu)框架剪力重分布主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的底層，剪力分配規(guī)律比較相似，三種結(jié)構(gòu)均具有較好的抗震性能。但盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的大震剪力比均要大于其他兩種結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段后盒式筒中筒結(jié)構(gòu)可以更好的發(fā)揮網(wǎng)格式框架作用，可以承擔(dān)更大的剪力，從而說明網(wǎng)格式框架抗側(cè)剛度要大于另兩種結(jié)構(gòu)的外框架剛度，具有更大的承載力。

(a) X向翼緣柱軸力

3.3剪力滯后效應(yīng)

核心筒在水平荷載作用時，由于豎向抗剪剛度極大，截面幾乎不發(fā)生豎向剪切變形，因而核心筒受彎時各水平截面并沒有出現(xiàn)截面翹曲而保持平截面。外筒雖然框架梁的高跨比較大，但是豎向抗剪剛度仍然有限，外筒在抵抗水平力產(chǎn)生傾覆力矩時，水平截面的豎向變形并不符合平截面假定，外筒的這種受力現(xiàn)象叫做“剪力滯后”效應(yīng)[12]。圖11為X與Y方向在小震作用下的框架柱軸力變化曲線。

(b)Y向翼緣柱軸力

(c)X向腹板柱軸力

(d)Y向腹板柱軸力

(e) 角柱軸力沿樓層分布圖

圖11X與Y方向在小震作用下的框架柱軸力變化曲線

Fig.11XandYdirection axial force variation curve of frame colmms under small earthquake

由于框筒結(jié)構(gòu)中每根柱子都有連接核心筒的大梁，所以翼緣柱不再是單純意義上的翼緣柱，而是和框架梁以及核心筒形成了另一榀平行于水平力的框架，此時柱中的軸力不再是由邊框柱傳來，而是由其大梁連接筒體的框架作用而產(chǎn)生[13]。

由圖11(a)和圖11(b)可知，在X向與Y向地震作用計算結(jié)果框筒結(jié)構(gòu)的翼緣柱軸力相差很小。這是因為和框架相連的大梁另一端放在了剪力墻的連梁上，連梁的平面外剛度很小，不能給與框架大梁足夠的約束使該點成為了鉸接約束，這樣中柱和樓面大梁不能形成框架作用，中柱的軸力仍舊是靠外框架的深梁剪切傳遞的兩側(cè)柱的軸力。從圖11(c)和圖11(d)可以看出，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)X和Y方向地震作用下外筒腹板柱軸力相差很小，說明盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的腹板柱受力比筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)受力均勻。筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)中柱子軸力起伏變化較大，曲線比盒式筒中筒結(jié)構(gòu)曲線陡峭，說明筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后現(xiàn)象比盒式結(jié)構(gòu)嚴重。由圖11(e)可知，筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)的正剪力滯后效應(yīng)均大于盒式筒中筒結(jié)構(gòu)，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)從27層開始正剪力滯后效應(yīng)消失，而其兩種結(jié)構(gòu)始終存在正剪力滯后效應(yīng)，所有樓層均存在正應(yīng)力集中現(xiàn)象。

從以上分析可知，角柱作為兩側(cè)腹板框架的邊柱而軸力較大，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)和筒中筒結(jié)構(gòu)均都是從兩邊到中間軸力逐漸減小的趨勢。但是筒中筒結(jié)構(gòu)的角柱軸力和中柱的軸力均大于盒式筒中筒結(jié)構(gòu)。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)因柱距比筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)小，網(wǎng)格梁較密，柱子之間又有層間梁，使得其剪力滯后效應(yīng)遠小于其他兩種結(jié)構(gòu)。因剪力滯后效應(yīng)表示的是筒體的整體工作能力，這也反映了網(wǎng)格式框架的整體工作性更強于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)。

3.4傾覆彎矩分配特征

隨著結(jié)構(gòu)的高度增加，樓層剪力以V=f(H)的函數(shù)關(guān)系增加，而傾覆彎矩則以M=f(H2)的函數(shù)關(guān)系增長，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)中傾覆彎矩作為一項重要的受力特征對結(jié)構(gòu)的抗震能力和破壞形態(tài)有著很大的影響[14]。圖12(a)和圖12(b)為結(jié)構(gòu)框架部分和核心筒部分承擔(dān)傾覆彎矩比例，圖12(c)為大震作用下框架傾覆彎矩與小震傾覆彎矩比值。

(a) 框架柱承擔(dān)傾覆彎矩比例

(b) 核心筒承擔(dān)傾覆彎矩比例

(c) 大震框架傾覆彎矩比值

由圖12(a)和圖12(b)可知，在地震作用下沿著結(jié)構(gòu)高度的增加框架部分承擔(dān)的傾覆彎矩逐漸增加，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)底部框架柱分配系數(shù)為21.4%，筒中筒結(jié)構(gòu)底部框架柱分配系數(shù)為20.2%，框筒結(jié)構(gòu)底部框架柱分配系數(shù)為18.5%。核心筒承擔(dān)的傾覆彎矩逐漸減小，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)底部剪力墻核心筒分配系數(shù)為78.6%，筒中筒結(jié)構(gòu)底部剪力墻核心筒分配系數(shù)為79.8%，框筒結(jié)構(gòu)底部剪力墻核心筒分配系數(shù)為81.5%。在中震作用下三種結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，框架傾覆彎矩與小震作用下傾覆彎矩比值沿著結(jié)構(gòu)高度不變，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)為2.68，筒中筒結(jié)構(gòu)為2.36，框筒結(jié)構(gòu)為2.29與水平剪力的規(guī)律相同。從圖12(c)可以看出，大震時三種結(jié)構(gòu)體系框架底部樓層和頂部樓層相對于小震傾覆彎矩增加的倍數(shù)略大，而樓層中部最小，整體相差不大，說明進入彈塑性階段后框架傾覆彎矩沿著結(jié)構(gòu)的高度變化相對均勻，這與大震作用下剪力比在結(jié)構(gòu)底部增幅遠大于結(jié)構(gòu)上部的規(guī)律有很大的不同。

由以上分析可知，結(jié)構(gòu)框架剪力分配與彎矩分配有很大區(qū)別。在混合結(jié)構(gòu)中核心筒是結(jié)構(gòu)的第一道防線，外框架是結(jié)構(gòu)的第二道防線，但盒式筒中筒結(jié)構(gòu)在地震作用下網(wǎng)格式框架傾覆彎矩分配比例大于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)。因此，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)比筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能，協(xié)同性能更好，網(wǎng)格式框架可以更好的發(fā)揮第二道防線的作用。

3.5結(jié)構(gòu)位移特性

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[15]第5.5.1規(guī)定：筒中筒結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/1000，框筒結(jié)構(gòu)為1/800。第5.5.5規(guī)定：筒中筒結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值為1/120，框筒結(jié)構(gòu)為1/50。對于位移比《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5規(guī)定：混合結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層的最大水平位移和層間位移不宜大于蓋層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該層平均值的1.5倍。圖13為三種結(jié)構(gòu)的樓層位移曲線，表2為三種結(jié)構(gòu)的最大位移響應(yīng)。

表2　結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)

圖13　樓層位移曲線Fig.13　Floor displacement curve

從表2可知，三種結(jié)構(gòu)體系的層間位移角在小震作用下均小于規(guī)范規(guī)定1/1 000限值，大震作用下均小于規(guī)范規(guī)定1/120限值。可見三種結(jié)構(gòu)均滿足“小震不壞，大震不倒”的設(shè)防要求。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)層間位移角，最大層間位移均最小。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的最大層間位移比X向為1.01，Y方向為1.02均滿足規(guī)范規(guī)定，從而說明盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的平面剛度非常均勻，沒有剛度突變和薄弱部位。

從圖13可以看出，在小震作用下三種結(jié)構(gòu)體系樓層位移曲線均呈現(xiàn)彎剪型變形，三種結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能比較接近。各層的位移變形比較均勻，結(jié)構(gòu)在豎向沒有出現(xiàn)大的剛度突變，但各結(jié)構(gòu)變形曲線有所不同，① 反彎點位置不同，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的反彎點最高，筒中筒結(jié)構(gòu)的反彎點位置在中間，框筒結(jié)構(gòu)的反彎點位置最低。由此可見，網(wǎng)格式墻架的抗剪剛度比較大，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)彎剪型變形更明顯。② 結(jié)構(gòu)整體變形曲線曲率不同，框筒結(jié)構(gòu)的曲率最大，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的曲率最小，筒中筒結(jié)構(gòu)的曲率介于兩者之間，可見盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的層間變形更趨于均勻，頂點側(cè)移更小。③ 三種結(jié)構(gòu)頂點位移不同，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的頂點位移變形最小，側(cè)移剛度最大，框筒結(jié)構(gòu)的頂點位移最大，筒中筒結(jié)構(gòu)的頂點位移介于兩者之間，這主要是因為盒式筒中筒結(jié)構(gòu)柱距比較小，而且樓層之間的兩道層間梁增加了網(wǎng)格式框架的剛度。

由以上分析可知，相對于其他兩種體系來講，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)網(wǎng)格墻架具有更大的抗側(cè)剛度，更易與內(nèi)筒形成雙重抗震防線。

4經(jīng)濟性分析

對于本工程項目，建筑面積是34 934.73m2，在所受外部荷載完全相同的情況下，三個方案項目已完成所有環(huán)節(jié)的設(shè)計工作，滿足全部規(guī)范的要求。對兩種結(jié)構(gòu)體系所需的建筑材料進行對比分析詳見表3。

表3　材料用量

從表3可以看出，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的型鋼用鋼量為98 kg/m2，比筒中筒結(jié)構(gòu)型鋼用鋼量123 kg/m2節(jié)約25 kg/m2，節(jié)約了20.3%，比框筒結(jié)構(gòu)型鋼用鋼量節(jié)約31 kg/m2，節(jié)約了31%?；炷劣昧空鬯愫穸群惺酵仓型步Y(jié)構(gòu)比筒中筒結(jié)構(gòu)節(jié)0.02 m/m2，比框筒結(jié)構(gòu)節(jié)約0.06 m/m2。鋼筋用量盒式筒中筒結(jié)構(gòu)比筒中筒結(jié)構(gòu)節(jié)約了4.5%，比框筒結(jié)構(gòu)節(jié)約了7.1%，濟效益非常顯著。

由于盒式結(jié)構(gòu)受力均勻，其構(gòu)件截面較小，重量較輕，可在工廠焊接制成單元，運往現(xiàn)場全螺栓拼接，這樣即解決了常規(guī)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件大且重、運輸安裝困難的問題，又會加快施工進度。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)樓蓋均采用鋼空腹夾層板結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格較小，面層混凝土板厚為80 mm，空腹高度為146 mm，中間可穿越管線，空腹梁與面板總高度為450 mm，每層比筒中筒結(jié)構(gòu)(鋼梁與面板總高度為600 mm)節(jié)約層高150 mm，那么27層就可節(jié)約層高4.05 m，節(jié)約了建筑高度的4%。每層比框筒結(jié)構(gòu)(鋼梁與面板總高度為750 mm)節(jié)約層高300 mm，那么27層就可節(jié)約層高8.1 m，節(jié)約了建筑總高度的8%。

5結(jié)語

①與筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)相比，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)自振周期和周期比均比較小，說明盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的抵抗扭轉(zhuǎn)的能力比其他兩種結(jié)構(gòu)好。在小震、中震、大震作用下三種結(jié)構(gòu)體系最大剪力均發(fā)生在結(jié)構(gòu)的底層，中震作用下三種結(jié)構(gòu)均處于彈性，三種結(jié)構(gòu)均具有較好的剛度，但盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的框架剪力分擔(dān)率要大于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)，從而說明盒式筒中筒結(jié)構(gòu)具有更大抗剪剛度，可以承受更大的地震剪力。

②盒式筒中筒結(jié)構(gòu)因網(wǎng)格式框架中柱距比較小，網(wǎng)格梁較密，柱子之間又有層間梁，因而剪力滯后效應(yīng)小，因此也反映了網(wǎng)格式框架的整體受力均勻性更強于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)。在小震、中震、大震作用下框架柱承擔(dān)傾覆彎矩百分比均大于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)，盒式筒中筒結(jié)構(gòu)中網(wǎng)格式框架的第二道抗震防線安全系數(shù)更高，其抗震性能、協(xié)同性能更強。

③在小震、大震作用下盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的層間位移角、層間位移、最大層間位移比均小于其他兩種結(jié)構(gòu)。盒式筒中筒結(jié)構(gòu)變形曲線下段呈現(xiàn)彎曲性，上部略呈剪切型，其彎剪型變形要更明顯，結(jié)構(gòu)層間變形均勻，由此可見該種結(jié)構(gòu)具有更大的安全儲備，更合適高烈度地區(qū)。

④相對于筒中筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)盒式筒中筒結(jié)構(gòu)不僅可以減小自重、節(jié)約建筑空間，經(jīng)濟效益明顯。此外，空腹夾層板樓蓋的空腔內(nèi)可以穿越各種管道，提高了空間利用率。

參考文獻:

[1]李國強，張結(jié).上海地區(qū)高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)綜合經(jīng)濟比較分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2000，21(2)：75-79.

[2]余德冕，馬克儉，張華剛.新型超高層裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式“筒中筒”混合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及其剪力滯后效應(yīng)分析[J]. 空間結(jié)構(gòu)，2014，20(2)：3-8.

[3]馬克儉，高國富，張華剛,等.空間網(wǎng)格式框架結(jié)構(gòu)在多、高層大開間靈活劃分房間石膏節(jié)能建筑中的研究與應(yīng)用綜述[J]. 空間結(jié)構(gòu)，2009，15(3)：66-84.

[4]王其明，李晨，陳志華,等.鋼筋混凝土網(wǎng)格式框架側(cè)移剛度研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2015，45(10)：61-64.

[5]王其明.現(xiàn)澆工業(yè)石膏外墻鋼筋混凝土空間網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[D]. 天津：天津大學(xué)，2012.

[6]宋帥，麻鳳海，陳志鵬，等.裝配整體式空間鋼網(wǎng)格正交斜放盒式結(jié)構(gòu)在多層大跨度工業(yè)建筑中的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(13)：15-18.

[7]張華剛，黃勇，馬克儉.鋼空腹夾層板在建筑樓蓋改造中的應(yīng)用[J]. 貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，32(4)：83-87.

[8]中華人民共和國建設(shè)部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JBJ3—2010[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[9]楊慶山.樓板和填充墻對RC框架結(jié)構(gòu)抗?fàn)幮阅艿挠绊慬D]. 北京：北京交通大學(xué)，2012.

[10]楚留聲，趙更歧，白國良，等.高烈度區(qū)型鋼混凝土框架—核心筒筒體混合結(jié)構(gòu)協(xié)同受力性能研究[J]. 工業(yè)建筑，2010，40(5)：7-12.

[11]劉帥.框架—核心筒結(jié)構(gòu)在地震作用下剪力分配研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[12]金仁和，魏德敏.框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后研究現(xiàn)狀與思考[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2008，10(2)：23-27.

[13]張玉芳.高層建筑框筒結(jié)構(gòu)簡化分析方法研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2005.

[14]楚留聲，白國良，趙更歧，等.高烈度區(qū)型鋼混凝土框架—核心筒筒體混合結(jié)構(gòu)破壞模式研究[J]. 工業(yè)建筑，2010，40(5)：1-6.

[15]中華人民共和國建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB50011-2010[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Analysis of mechanical properties of steel grid cassette cartridge tube-in-tube structure in highly seismic region

SUN Jing-ming， MA Ke-jian， CHEN Hong-niao， SHEN Bo， BAI Zhi-qiang, LIU Zhuo-qun

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

Abstract:The mechanical properties of newly assembled spatial steel grid cassette tube-in-tube structures subjected to seismic actions, such as the free vibration characteristics, shear distribution, overturning moment distribution, lateral distribution, shear lag phenomenon of the structures, were analyzed. Taking a building to be constructed in highly seisimc region as an example and using the MIDAS software, the new cassette tube-in-tube structure system was compared with the conventional frame tube structures and tube-in-tube structures. Analysis results show that the cassette tube-in-tube structures have smaller shear lag phenomenon, greater lateral stiffness and shear stiffness and better seismic performance than those of the tube-in-tube structures and frame tube structures. In addition, the new cassette structures are cost efficient.

Key words:high earthquake intensity zone；cassette structure； spatial steel grid；mechanical properties； economic benefits

中圖分類號：TU978

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0011-10

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0011

通訊作者：馬克儉(1934—)，男，湖南岳陽人，貴州大學(xué)教授，中國工程院院士； E-mail：makejian2002@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51408144)；新型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及配套體系在云南應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)及示范項目(20132B008)

收稿日期：2015-11-21；

修訂日期：2015-12-20

引文格式：孫敬明，馬克儉，陳紅鳥,等.高烈度區(qū)鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：11-20.