摘 要:通过一高层混合结构的算例,改变外钢框架与混凝土核心筒之间的刚度比以及在不同的层高设置加强层,对高层钢框架-钢筋混凝土核心筒结构在竖向荷载作用下的受力和变形性能进行分析比较。结果表明,增加剪力墙厚度可以显著的增大剪力墙承担的总轴力,并有效的减小楼层竖向位移;加强层对结构竖向变形的影响很大,合理的设置加强层可有效的减小结构的竖向变形差。
关键词:高层;混合结构;刚度比;加强层
1前言
外钢框架-钢筋混凝土核心筒混合结构具有钢结构和钢筋混凝土结构的共同优点,适合我国国情,已成为当前我国高层和超高层建筑的主要结构形式[1][2]。高层建筑结构层数多,高度大,柱和墙的轴力、轴向变形都很大,所以在结构计算时必须考虑轴向变形的影响[3]。在混合结构中,钢构件相对于混凝土构件来说,截面小,刚度小[4],导致同一结构中不同竖向构件的材料特性及应力水平的差异很大,使结构在竖向荷载作用下产生显著的竖向变形差[5],对结构的受力和使用不利。
高层混合结构在竖向荷载下的受力性能与竖向荷载的大小、施工过程以及混凝土的收缩、徐变等因素有关。在这篇文章中,我们只讨论竖向荷载一次加载下的受力性能,其他因素将在以后进行讨论。下面以一个高层混合结构为对象,分别按不同的钢框架与混凝土剪力墙刚度比以及不同位置设置加强层时的受力和变形情况进行计算和比较,提出了此类结构合理刚度比及合理加强层位置的建议。
2计算分析
2.1 算例概况
结构为二十三层外钢框架-内混凝土核心筒混合结构[1],平面尺寸及布置如图1所示,结构总高为78.3m,1到2层层高为4.5m,3到23层层高为3.3m。在结构的1、2层抽柱形成大空间,外钢框架柱、梁均采用方钢管。全部柱及加强层梁尺寸为800mm×800mm×55mm;其余的梁尺寸均为600mm×600mm×55mm;芯筒为钢筋混凝土,墙厚根据计算方案不同从200mm到600mm变化;标准层钢筋混凝土楼板厚150mm,加强层及抽柱处楼板厚200mm。钢材采用Q235,混凝土为C40。活荷载取值为3kN/m2。
2.2计算方案
计算程序采用大型结构分析通用有限元程序ANSYS6.1,采用梁、壳单元进行分析。为了探寻剪力墙与钢框架不同刚度比以及不同位置设加强层对结构竖向受力性能的影响,采用如下几个方案进行分析计算:方案一(w2):剪力墙厚度为200mm;方案二(w3):剪力墙厚度为300mm;方案三(w4):剪力墙厚度为400mm;方案四(w6):剪力墙厚度为600mm;每种方案里面又分5种情况:⑴,不设加强层(s0);⑵,第3层加强(s3);⑶,第3、14层加强(s3-14);⑷,第3、23层加强(s3-23);⑸,第3、11、23层加强(s3-11-23)。
2.3计算结果
① 变剪力墙厚度时剪力墙承担的总轴力比较(图2)
在图2所示的五种情况下,随着剪力墙厚度的增加,剪力墙承担的总轴力均大幅增加,大于20%,增加百分数逐渐减小。不设加强层时,剪力墙厚度增加100mm,承担的轴力平均增加22.05%;厚度增加200mm,承担的轴力平均增加39.17%;厚度增加400mm,承担的轴力平均增加63.55%。第3层设加强层后,剪力墙承担的轴力随墙厚增加的变化情况和不设加强层时的变化相差不大,分别增加1.3%、2.67%和4.95%,加强层以下墙的轴力随墙厚的增加影响逐渐减小。设第2、3道加强层与设1道加强层时相比的平均增长幅度变化不大于2%。第3层和顶层加强时,顶层剪力墙承担的轴力随墙厚的增加变化不大,当墙厚增加100mm、200mm和400mm时,轴力分别增加2.3%、1.88%和1.96%。
②不同位置设置加强层时剪力墙承担的轴力比较(图3)
剪力墙厚为200mm时,第1道加强层设在第3层时,竖向荷载下剪力墙承担的轴力,在加强层突然增大14.8%;加强层以下剪力墙轴力增大,但增大百分比显著减小(<1.9%);加强层向上至顶层剪力墙轴力减小,减小百分比逐渐减小。在第14层设第2道加强层时,第3层以下与只设1道加强层时相比剪力墙轴力增加小于1.0%;从第1道加强层以上到第2道加强层之间,剪力墙承担的轴力比不设加强层时的减小,减小百分比逐渐减小,但减小量低于只设1道加强层时的减小量;第2道加强层处剪力墙轴力则突然增大7.66%;第2道加强层以上至顶层,剪力墙轴力减小,减小百分比逐渐减小。第2道加强层设在顶层时,第3层以下与第2道加强层设在第14层时的相比,变化小于0.5%;第3层以上墙轴力的变化与不设加强层时相比从减小9.96%向上逐渐变化到顶层的增加100.52%。在第3、11、23层处设置共3道加强层时,剪力墙承担的轴力与不设加强层时相比,加强层处均突然增大,从下向上增大的百分比分别为15.76%、6.12%和75.33%;第3层以上到第10层轴力减小,减小百分比逐渐减小;第11层以上到第22层,轴力从减小10.57%逐渐变化到增大25.50%。
剪力墙厚为300mm、400mm和600mm时,墙轴力随加强层的设置位置和层数变化规律同墙厚为200mm时的一样,但受影响程度减小了。
③顶点竖向位移的比较
由于结构双向对称,故只选取对称的1/4平面内的节点进行分析,各点位置见图1(b)。
剪力墙厚为200mm时,第3层设加强层,各点位的顶点竖向位移显著减小,最大减小12.51%,最小减小4.95%,变形差由2.5mm减少为2.15mm;第3、11和23层设加强层,点5竖向位移减小9.57%,点7竖向位移增大8.92%,变形差减小为1.18mm。
剪力墙厚为300mm时,不设加强层时,与墙厚为200mm时相比,顶层各点的竖向位移显著减小,最大减小14.1%,,平均减小11.05%,但顶层的竖向变形差增大了17.2%;顶点竖向位移随加强层的变化规律和墙厚为200mm时的相同,两者相差不大(<1.0%)。
剪力墙厚为400mm时,不设加强层时,与墙厚为200mm时相比,顶层各点的竖向位移减小更为显著,最大减小22.47%,平均减小18.4%,顶层的竖向变形差增大了23.6%;剪力墙厚为600mm时:不设加强层时,与墙厚为200mm时相比,顶层各点的竖向位移最大减小33.37%,平均减小27.7%,顶层的竖向变形差增大为3.34mm,增大了33.6%。
2.4 计算结果分析
剪力墙的厚度增加100mm、200mm和300mm后,墙轴力分别增加22%、39%和64%左右;由于该结构高78.3m,剪力墙厚度不会达到600mm,所以可以说剪力墙厚度每增加100mm,其承担的总轴力将增加20%左右。这说明增大剪力墙的厚度可以明显的增大其竖向刚度,“脊柱”作用明显加强,可以承担更多的竖向荷载。同时,随着剪力墙厚度的增加,顶层各点的竖向位移也明显减小。墙厚减小100mm、200mm、400mm时,顶层各点的竖向位移差分别减小17.2%、23.6%和33.6%,这说明剪力墙厚度的减小,使竖向变形更为均匀。
第3层设置为加强层后,竖向荷载下剪力墙承担的轴力,在加强层突然增大(7.75～14.8%);加强层至底层剪力墙轴力增大,增大百分比显著减小;加强层至顶层剪力墙轴力减小,减小百分比逐渐减小。第2道加强层设在第14层时,2道加强层之间从下至上轴力减小,减小百分比逐渐减小,但减小量低于只设1道加强层时的减小量。顶层设有加强层时,对顶层的墙轴力影响最大,最大可增大100.52%。总体来看,剪力墙轴力在加强层及其附近几层变化最大。在加强层处显著增大;在加强层以下,轴力增大,但增大幅度较小,且增大百分比逐渐减小;在加强层以上,轴力减小,减小百分比也逐渐减小。同时,剪力墙厚度不变时,随加强层数的增多,柱子的竖向位移减小,墙的竖向位移增大,使楼层竖向位移趋于均匀。说明加强层有较大的抗弯刚度,减小了加强层以上柱子的竖向位移,并把荷载传递到剪力墙,增大其竖向变形,很好的起到了减小变形差的作用。从以上分析来看,加强层设在第3层和顶层对改善结构的竖向变形最有利,再设第3道加强层时的变化已不大。
3结论
通过以上分析,对于高层外钢框架-钢筋混凝土核心筒结构在竖向荷载一次加载下的受力性能,可以得出以下结论:
2.1增加剪力墙的厚度,可以显著的增加剪力墙承担的总轴力、减小楼层的平均竖向位移;减小剪力墙厚度可减小楼层的竖向位移差;
2.2设加强层仅对加强层及其附近几层的受力影响较大:加强层处剪力墙轴力突然增大;加强层以下轴力增大,增大百分比逐渐减小;加强层以上轴力减小,减小百分比逐渐减小;
2.3设加强层可以减小柱子的竖向变形,增大剪力墙的竖向变形,从而显著减小楼层的竖向变形差;但随加强层道数增加,竖向位移差的减小幅度减弱,故加强层不宜多设;
2.4改善结构的竖向受力性能和变形性能,应适当的增加剪力墙的厚度和设置加强层;
2.5加强层附近几层内力发生突变,设计时应对加强层相连接的构件予以加强。
参考文献:
[1] 龚炳年.钢-混凝土混合结构模型实验研究.建筑科学,1994(2):10-14.
[2] 赵西安.现代高层建筑结构设计.北京:科学出版社,2000:693-724.
[3] 赵西安.钢筋混凝土高层建筑结构设计.北京:中国建筑工业出版社,1992.
[4] 邹永发,张世良,刘立华,尚春雨.超高层结构设置加强层问题探讨.建筑结构,2002(6):44-46.
[5] 罗文斌,张保印.超高层建筑S+RC混合结构竖向变形差的工程对策.建筑结构学报,2000(12).
