鄭晉陽(yáng)，馬克儉，魏艷輝，宋 赟，湯明樂(lè)

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

超高層裝配式正交斜放空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地特征周期下的地震響應(yīng)

鄭晉陽(yáng)，馬克儉*，魏艷輝，宋 赟，湯明樂(lè)

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

采用振型分解反應(yīng)譜法分析了在不同場(chǎng)地特征周期下傳統(tǒng)裝配型鋼密柱與混凝土核心筒組成的筒中筒混合結(jié)構(gòu)和新型裝配式正交斜放空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，包括層剪力，層間位移和層間位移角。分析表明，新型盒式筒中筒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地特征周期下地震響應(yīng)具有相似的變化規(guī)律，因此可以借鑒傳統(tǒng)混筒中筒混合結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)新型盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)的抗震性能。

超高層結(jié)構(gòu)，裝配整體式，盒式結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)，場(chǎng)地特征周期

超高層建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，研究對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的相關(guān)參數(shù)具有重要意義。建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)不僅與結(jié)構(gòu)自身的周期有關(guān)，同時(shí)與建筑物所處的場(chǎng)地結(jié)構(gòu)、震源的距離、地震等級(jí)和震源誘發(fā)機(jī)制有關(guān),當(dāng)場(chǎng)地特征周期與結(jié)構(gòu)自振周期相近時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)會(huì)放大。通常，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中為了快速有效的評(píng)價(jià)多遇地震下的彈性性能，一般采用抗震規(guī)范[1]規(guī)定的振型分解反應(yīng)譜法，即通過(guò)烈度、場(chǎng)地類(lèi)別、設(shè)計(jì)地震分組和結(jié)構(gòu)自振周期以及阻尼比等參數(shù)確定在各個(gè)振型下的地震影響系數(shù)，然后計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。超高層建筑一般為長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)(基本周期T>3s)，場(chǎng)地特征周期小于1s,地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)第一階振型影響較少，不能忽視高階振型的影響。

本文將采用振型分解反應(yīng)譜法分析新型超高層裝配式正交斜放空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)裝配型鋼密柱與混凝土核心筒組成的筒中筒混合結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱(chēng)傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu))在抗震規(guī)范規(guī)定的不同場(chǎng)地特征周期下的地震響應(yīng)的規(guī)律，為新型盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)的工程抗震設(shè)計(jì)與抗震性能評(píng)估提供一定的指導(dǎo)。

1 超高層裝配式正交斜放空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)

1.1 裝配整體式鋼空腹夾層板樓蓋

裝配整體式協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋是一種新型樓蓋，由馬克儉院士提出并于2007年申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用型專(zhuān)利[2],如圖1所示。協(xié)同式鋼空腹夾層板是由上肋、下肋和方鋼管剪力鍵組成的雙層網(wǎng)格板，其中上肋和下肋為T(mén)型鋼或H型鋼。從力學(xué)性能上，協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋需要考慮剪切變形的“擬夾芯板”，而傳統(tǒng)由H型鋼組成的密肋樓蓋則只是考慮彎曲變形的彈性薄板。根據(jù)樓板形狀合理劃分裝配單元并在工廠加工制作,施工時(shí)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),在網(wǎng)格節(jié)間中點(diǎn)處采用高強(qiáng)螺栓連接,如圖2所示。拼裝完成后,在上肋焊接栓釘或抗剪鋼筋,然后安裝局部模板澆筑細(xì)石混凝土板,形成鋼-混凝土協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)[3]。協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋板具有自重輕,跨度大的特點(diǎn),可應(yīng)用于大柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中，裝修時(shí)采用輕質(zhì)隔墻可實(shí)現(xiàn)建筑平面的靈活劃分。

1.2 裝配式網(wǎng)格墻架筒體

裝配式網(wǎng)格墻架筒體是由裝配式網(wǎng)格式墻架?chē)傻耐搀w結(jié)構(gòu)，如圖3所示。網(wǎng)格墻架是由外筒柱和多道層間梁組成。外筒柱柱距由橫向鋼空腹夾層板網(wǎng)格間距確定，柱與柱之間布置2～3道層間梁，層間梁的間距按照窗戶(hù)的大小取值。與常規(guī)框架相比，其力學(xué)模型為具有剪切變形的“網(wǎng)格板”，抗剪剛度大大提高，具有剪力墻的力學(xué)特點(diǎn)。根據(jù)外形平面尺寸劃分網(wǎng)格墻架為裝配式單元，如圖4所示，由工廠預(yù)制，在工地現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓等連接，在保證施工質(zhì)量的前提下，可以加快施工速度，縮短工期。

圖1 裝配整體式協(xié)同式鋼空腹夾層板 圖2 鋼空腹夾層板裝配

圖3 豎向網(wǎng)格式盒式墻架筒體 圖4 網(wǎng)格式墻架 圖5 空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)

1.3 裝配式正交斜放空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)

裝配式正交斜放空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)[4](簡(jiǎn)稱(chēng)盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu))是由現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒、外圍豎向裝配式鋼網(wǎng)格架筒體和橫向裝配整體式協(xié)同式鋼空腹夾層板樓蓋組成,如圖5所示。與傳統(tǒng)裝配式筒中筒混合結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于豎向的鋼網(wǎng)格盒式筒和橫向的協(xié)同式鋼空腹夾層板。鋼空腹夾層板網(wǎng)格尺寸通常在2-2.5m之間，豎向墻架網(wǎng)格與樓蓋相同，橫向鋼空腹夾層板采用正交斜放布置方式將比正交正放方式提高豎向墻架網(wǎng)格尺寸1.41倍，即可達(dá)到3m-3.6m,也使鋼空腹夾層板受力分布更加均勻。

2 計(jì)算模型與主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本擬建工程為超高層寫(xiě)字樓,平面尺寸為36m×36m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g),修正基本風(fēng)壓取0.45kN/m2,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04。

2.1 傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)

主梁采用H750×300×8×16,1-5層的建筑層高為3.9m,6-58層為3.7m，結(jié)構(gòu)總高度為215.6m。柱距3.6m。采用鋼筋混凝土樓蓋，板厚120mm，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層劃分及主要構(gòu)件尺寸為表1所示；結(jié)構(gòu)布置圖為圖6～圖7。

表1 傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸

2.2 空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)

鋼空腹夾層板樓蓋(含自動(dòng)噴淋)厚度為450mm，1-5層的建筑層高為3.45m,6-66層為3.25m,結(jié)構(gòu)總高度為215.5m。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層劃分及主要構(gòu)件尺寸為表2所示；結(jié)構(gòu)平面布置圖為圖8～圖10。

表2 空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸

圖6 傳統(tǒng)混合筒中筒 圖8 盒式混合筒中筒 圖9 盒式結(jié)構(gòu)筒中筒結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層軸測(cè)圖 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)平面圖 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖7 傳統(tǒng)混合筒中筒 圖10 盒式混合筒中筒 結(jié)構(gòu)整體模型圖 結(jié)構(gòu)整體模型圖

3 不同場(chǎng)地特征周期下的地震反應(yīng)譜

抗震規(guī)范采用表3的場(chǎng)地特征周期來(lái)反應(yīng)不同場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組。根據(jù)抗震規(guī)范得到了在阻尼比為0.04，設(shè)防烈度為7度(0.1g)多遇地震的反應(yīng)譜,即最大地震影響系數(shù)一定的情況下，不同場(chǎng)地特征周期下反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)，如圖11所示。為了研究在不同周期下不同場(chǎng)地特征周期的地震影響系數(shù)，采用了比例系數(shù)ω(即某一周期下不同場(chǎng)地特征周期的地震影響系數(shù)α與場(chǎng)地特征周期0.65s時(shí)的地震影響系數(shù)α的比值)來(lái)反應(yīng)地震影響系數(shù)的變化幅度，如圖12所示。由圖12可以看出，在周期T小于1s范圍內(nèi)，不同周期下的地震影響系數(shù)α變化很大；在周期T在1s～4s范圍內(nèi)，不同周期下的ω變化程度逐漸減小；在周期T大于4s時(shí)，不同場(chǎng)地特征周期下的地震影響系數(shù)α變化程度已經(jīng)很小且接近線性變化，場(chǎng)地特征周期Tg每增加0.05s,比例系數(shù)ω增加2.5%左右。

表3 規(guī)范所采用的場(chǎng)地特征周期Tg

注：表中實(shí)線框內(nèi)為本文所采用的場(chǎng)地特征周期。

圖11 不同場(chǎng)地特征周期的反應(yīng)譜

圖12 地震影響系數(shù)比例系數(shù)ω

4 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

采用有限元軟件Midas/Building分別計(jì)算兩

種結(jié)構(gòu)在多遇地震作用不同場(chǎng)地特征周期Tg下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。表4和表5為不同場(chǎng)地特征周期下結(jié)構(gòu)在第一陣型主方向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，圖13為結(jié)構(gòu)響應(yīng)比例系數(shù)ω與場(chǎng)地特征周期Tg的關(guān)系。由圖13可以看出，場(chǎng)地特征周期每改變0.05s,兩種結(jié)構(gòu)的最大層間位移角比例系數(shù)增加3%左右，基底剪力比例系數(shù)增大2.3%左右，傾覆彎矩比例系數(shù)增大2.5%左右，與長(zhǎng)周期段地震影響系數(shù)比例系數(shù)相比，最大層間位移角偏大，基底剪力比例系數(shù)與傾覆彎矩比例系數(shù)相近。說(shuō)明最大層間位移角受高階振型影響程度比基底剪力和傾覆彎矩大。

表4 空間鋼網(wǎng)格盒式筒中筒混合結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)(x向)

表5 傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)(Y向)

圖13 地震響應(yīng)比例系數(shù)變化

圖14和圖15分別為盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地特征周期下的地震響應(yīng)，反應(yīng)了各指標(biāo)的層間變化情況。

圖14(a)和圖15(a)為層間位移角，兩種結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)相同，都是先增大后減小，層間位移角在高度75%左右達(dá)到最大值，場(chǎng)地特征周期每增加0.05s,層間位移角增大3%左右。

圖14(b)和圖15(b)為層間位移角比例系數(shù)，基本呈“S”形態(tài)，第一反彎點(diǎn)出現(xiàn)在總高度的69%左右，在同一場(chǎng)地特征周期下在結(jié)構(gòu)高度1/3區(qū)段內(nèi)變化幅度較小，場(chǎng)地特征周期每增加0.05s，層間位移角比例系數(shù)增加3%左右。

圖14(c)和圖15(c)區(qū)段為層剪力比例系數(shù)，兩種結(jié)構(gòu)曲線變化一致，在同一場(chǎng)地特征周期下比例系數(shù)變化幅度很大，在0～13%高度范圍增加幅度很小，在13%～34%高度范圍，比例系數(shù)程線性增加，在34%～69%高度范圍比例系數(shù)基本維持不變，在69%～90%高度范圍，比例系數(shù)線性減少，與13%～90%的線性斜率基本相等，在90%～100%高度范圍，比例系數(shù)線性減少；隨著場(chǎng)地特征周期的增加，比例系數(shù)增加段和降低段的增加或降低的幅度增加；盒式結(jié)構(gòu)在場(chǎng)地特征周期小于0.55s范圍，比例系數(shù)存在明顯的平臺(tái)段，在場(chǎng)地特征周期大于0.75s范圍，比例系數(shù)的變化曲線同三階平動(dòng)反應(yīng)譜相似；傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在場(chǎng)地特征周期小于0.4s,比例系數(shù)曲線存在明顯的平臺(tái)段，場(chǎng)地特征周期大于0.45s，呈三階平動(dòng)譜形態(tài)；兩種結(jié)構(gòu)都隨著場(chǎng)地特征周期的變長(zhǎng)，平臺(tái)段的范圍逐漸減小。

圖14(d)和圖15(d)區(qū)段為傾覆彎矩比例系數(shù)，在同一場(chǎng)地特征周期下，比例系數(shù)在90%高度以下逐漸減少，超過(guò)90%以上時(shí)，又逐漸增加；隨著場(chǎng)地特征周期增加，比例系數(shù)在90%高度以下減少的幅度逐漸減小。

圖14 盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu)

圖15 傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

超高層盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)會(huì)隨著場(chǎng)地特征周期的增大而增加，且具有一定的變化規(guī)律。

(1)超高層盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)，在不同場(chǎng)地特征周期下的地震響應(yīng)，如層剪力、層間位移角、傾覆彎矩具有相似的變化規(guī)律。

(2)在不同場(chǎng)地特征周期下，層剪力比例系數(shù)和傾覆彎矩比例系數(shù)和長(zhǎng)周期段地震影響系數(shù)比例系數(shù)相近，最大層間位移角比例系數(shù)比長(zhǎng)周期段地震影響系數(shù)比例系數(shù)大，最大層剪力比例系數(shù)受高階振型的影響程度大于層剪力比例系數(shù)和傾覆彎矩比例系數(shù)。

(3)超高層盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)的層間位移角比例系數(shù)、層剪力比例系數(shù)和傾覆彎矩比例系數(shù)變化規(guī)律相同，層間位移角比例系數(shù)、層剪力比例系數(shù)和傾覆彎矩比例系數(shù)沿樓層分布具有不同的規(guī)律。

(4) 超高層盒式筒中筒結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)在水平地震作用下響應(yīng)具有相似性，傳統(tǒng)混合筒中筒結(jié)構(gòu)的抗震理念和方法可以應(yīng)用于超高層盒式混合筒中筒結(jié)構(gòu)。

[1] GB50011-2010, 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010:33.

[2] 馬克儉, 楊大春, 覃士杰, 等. 裝配整體式平板型或曲面型鋼空腹網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[P].中國(guó):200720201111, 2007.

[3] 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(bào)(自然科學(xué)版),2003,32(4):83-87.

[4] 馬克儉等. 鋼筋混凝土核心筒與裝配整體式空間鋼網(wǎng)格的筒中筒結(jié)構(gòu)[P]. 中國(guó): 201110348963.7, 2012.

(責(zé)任編輯：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”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAJ09B01-01)

鄭晉陽(yáng)(1989- )，男，在讀碩士，研究方 向：高層與超高層盒式結(jié)構(gòu)，Email:zjyssrc@163.com.

*通訊作者： 馬克儉，Email:makejian2002@163.com.

TU973.17

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