水平加强层在超高层钢结构中的应用研究_易方民

DOI:10.13614/j.cnki.11-1962/tu.2001.01.004　第17卷第1期　2001年2月　

[文章编号]1002-8528(2001)01-0015-06

建　筑　科　学

BUILDINGSCIENCE

Vol.17,No.1　Feb.2001

水平加强层在超高层钢结构中的应用研究

易方民1,高小旺1,张维

1

,王　巍1,肖　伟1,杨蔚彪2

(1.中国建筑科学研究院,北京100013;2.冶金部建筑研究总院,北京100088)

[摘　要]结合实际工程,深入地研究了设置水平加强层后超高层钢结构的地震响应;通过对几种不同方案的比较,进一步研究了加强层的数量、抗弯刚度以及周边环带等对结构抗震性能的影响;最后本文提出了一种水平加强层刚度的选择方法,供工程应用参考。

[关键词]加强层;超高层钢结构;地震响应;抗弯刚度[中图分类号]TU973;TU973.31　　　[文献标识码]A

+

+

AStudyontheApplicationofOutriggertoSuper-tallSteelStructures

YIFang-min1,GAOXiao-wan1,ZHANGWei-yue1,WANGWei1,XIAOWei1,YANGWei-biao2

(1.ChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing100013,China;

2.CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionM.M.I,Beijing100088,China)

[Abstract]Basedonthenumericalcomputationofrealstructures,athoroughresearchontheearthquakeresponseofoutrigger-bracedsuper-tallsteelstructuresisintroducedinthispaper.Incomparisonamongseveraldifferentschemes,furtherresearchontheinfluenceofthequantityandbendingstiffnessofoutriggerandtheexteriorbeltontheearthquakeresistantperformanceofstructuresisalsopresented.Intheendthispaperputforwardamethodofselectingthestiffnessofoutriggerforreferenceinpractice.

[Keywords]outrigger;super-tallsteelstructure;earthquakeresponse;bendingstiffness

内外许多研究者很早也都开始研究和优化这种结构

1　前　言

在高层和超高层建筑结构中,水平荷载引起的结构侧移是设计中的主要控制指标之一。沿高度方向布置水平加强层作为减少侧移的一种有效手段,目前在世界各国得到了广泛的重视和应用。这种体系通过在技术层(设备层、避难层)设置刚度较大的加强层来加强内芯与周边框架柱的联系,它充分利用周边框架柱的轴向刚度而形成的反弯矩来减少内筒体的倾覆力矩,从而达到减少结构在水平荷载作用下的侧移。

伴随着这种结构体系在工程中的大量应用,国

形式,并取得了很多成果。然而大部分的研究工作都集中在推导计算不同平面简化计算模型情况下水平加强层的最优位置[1,2]。本文结合高层钢结构的实际工程和一些算例,研究了带水平加强层结构的地震响应及工作特点;分析了地震作用下结构内力的传递方式、分布等性能;探讨设置加强层引起内力突变的原因;在分析比较了几种方案的基础上,探讨了加强层的数量、抗弯刚度以及周边环带等对结构抗侧刚度、内力突变等的影响。最后本文发展了文献[3,4]等提出的水平加强层有限刚度概念,提出一种选择各水平加强层刚度的计算公式。

2　带加强层的超高层钢结构地震响应研究

[收稿日期]2000-06-09

[基金项目]国家自然科学基金委员会和建设部联合资助重大项目

(项目批准号:59895410)

[作者简介]易方民年—),(),为研究设置水平加强层结构的抗侧移效果、内,

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建筑科学

第17卷

对若干个工程实例和算例进行了三维空间有限元弹性计算和二维平面弹塑性时程分析,得出一些共同的规律。图1中的天津国贸中心大厦为其中一典型工程,本文以该工程为例,说明带水平加强层的超高层钢结构在地震作用下的一些共同规律。该大厦是一栋整体多功能综合性建筑,其主塔楼部分地面以上有64层,总高度为255.8m,是我国目前已建成或在建的建筑中最高的全钢结构超高层塔楼。该结构内芯为框架支撑结构,其中,第11、23、34和53层为设备层;相应地,在第23层、34层和53层,设置了三道水平加强层(包括水平伸臂构件和周边环带),其中最底下一个加强层占据了第23和24两层

。

　　这种在加强层处的变形突变,必然伴随着结构传力途径的改变和内力的突变。

图2　结构整体侧向位移图

2.2　加强层对结构内力传递方式及分布的影响

(1)加强层对总层剪力分布及内芯支撑所承担的层剪力影响　设置加强层与不设置加强层两种情况下,地震力所引起的层剪力沿高度方向的分布基本相同,其中设置加强层时稍大一些,同时层剪力分布在设备层处都产生跳跃,即在设备层处地震力突然增大,如图3所示。从图3a中还可看出,对于设有加强层的结构,内芯支撑所承担的剪力约占总层

图1　天津国贸中心大厦

剪力的55%～80%,并且在加强层处支撑所承担的剪力发生突变,甚至方向都发生了改变。这是由于外柱所产生的反力矩,使得加强层的内芯部分产生了相反方向的变形所致,如图4加强层变形图中的ABEF区域所示。对于无加强层的结构,内芯支撑所承担的剪力约占总剪力的45%～70%,并且在设备层处也发生了明显的变化,这是由于在设备层楼板较厚,这实际上就是一种刚度较小的外伸臂式水平加强层。

(2)设置加强层对外围框架柱及内芯框架柱内力的影响　设置水平加强层后,外围框架柱和内芯框架柱的内力在加强层处发生了突变,如图5和图

T5(s)

T6(s)

2.1　加强层对结构整体刚度的影响

结构设置了水平加强层后,前几个振型的自振周期有明显的减小,详见表1所示。同时,在设置水平加强层后,结构各层的位移反应也明显减小,约为22%,如图2所示。从图2所示的结构整体变形图可看出,不设水平加强层时,结构象一根悬臂梁,主要以弯曲变形为主;设加强层后,由于周边柱的反力矩作用,结构的弯曲变形在加强层处出现了反弯点。

表1　结构主要自振周期

自振周期

T1(s)

T

2(s)

T3(s)

T4(s)

6所示。

图5a为外围框架柱的轴力的变化示意图。由该图可以看出,不设加强层时,轴力沿高度方向除在,设置加强层4.7213无加强层5.3932

1.69600.996660.690220.517490.432021.7887

1.03860.719370.536130.43913

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第1期易方民,等:水平加强层在超高层钢结构中的应用研究17

由于设备层本身就是一刚度较小的加强层,故在加强层的上下层的内芯框架柱的弯矩也有突变。

图3　

层剪力沿高度方向的分布

图5　外围框架柱和内芯框架柱的内力变化示意图

图4　加强层变形图

性均匀减小的;设有加强层时,轴力在加强层处发生突变,从上往下在每个加强层处,柱轴力突然增大,而各个加强层层间区内,轴力基本保持均值。图5b为内芯框架柱轴力的变化示意图。由图可见,不设加强层时,内芯框架柱轴力沿高度方向基本按均匀变化;设置加强层后,柱的轴力在加强层的下层突然减小。总体比较,设置加强层后,外围框架柱的轴力增大,内芯框架柱的轴力减少。

图6为内芯框架柱的弯矩变化图。从图中可明显看到,设置加强层后,加强层的上下层的内芯柱靠近加强层端的弯矩急剧增大。设置加强层后,层间位移角变小,而弯矩为什么反而增大?这是由于外柱中轴力形成的反弯矩作用,使得内芯框架在加强层处出现反弯点,加强层上、下层柱靠近加强层端的反向转角突然增大(见图4中的GA、HB、EI和FJ柱),致使弯矩急剧增大。从图6b中还可看出,无加

,,　　(3)加强层引起的薄弱层　通过前面几部分的讨论可知,沿高度方向设置水平加强层,能够有效的增加结构抗侧移刚度,减小结构侧向位移;但同时在水平加强层处,由于外柱的反力矩作用而引起的变形突变,将导致在加强层处形成了应力集中。尤其是在加强层的上下层的内芯框架柱(如图4中的EI、FJ、GA和HB段)中,其组合应力远远大于其他,　　　图6　内芯框架柱弯矩　　　　　图7　罕遇大震

　　　　　　　　　　　　　　　　作用下的塑性铰　　　　　　　　　　　　　　　　分布图

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层的出现。图7为天津国贸大厦在罕遇大震作用下塑性铰的分布。从图7中可看出,梁端的塑性铰主要集中在两侧,即中间内芯筒与外框架柱的连系梁上;柱端的塑性铰主要集中在加强层上下层的柱端和底层的柱端。柱端的塑性铰尤其集中在最上一个加强层上部楼层的柱端。这是由于两方面的原因,一方面是由于加强层造成的应力集中;另一方面是由于内芯框架的支撑在该楼层突然减少,造成层屈服剪力较上下层小很多,易形成薄弱层。

中下部分抗侧移效果均较好,但上部仍相对较差;方案6即为原结构,它在上、中、下设置了三道水平加强层,从表3中数据明显可看出,结构整体抗侧移效果均匀。其中方案4和方案5分别为只在中部和上部设置一道水平加强层。从表3中可看出,仅在中部设置一道加强层时,结构中部抗侧移效果较好;仅在结构上部设置一道加强层时,则仅结构上部抗侧移效果较好。但这两种情况均比方案2(仅在结构22～23层设置一道加强层)的抗侧移效果差。这是因为这一加强层占据两个楼层,而方案4和方案5中的加强层仅占一层。

表4为考虑内芯筒柱的柱端弯矩时,三种方案的计算结果的比较。表4中,方案2为在结构的第22～23层设置了一道加强层;方案7设置了三道加强层,但每个加强层中支撑的截面积仅相当于原结构的15%。比较方案2和方案7两种情况,在抗侧移效果方面基本差不多,但方案7的整体抗侧移效果沿高度分布较为均匀;在引起的内力集中方面,方案2在加强层附近的楼层的内心筒柱端弯矩,却远远大于设置了三个刚度相对较小的加强层结构(方案7)的情况,达到了9.292eN·m。这说明,对于该结构,设置三个刚度很小的加强层的效果,要远好于设置一个刚度很大的加强层的效果。结构内芯筒的其它柱端弯矩仅在10N·m数量级,但方案1(不设加强层)的设备层柱端弯矩也达到2～3e5N·m。这是由于设备层本身就是一种刚度较小的加强层,故其柱端弯矩要大于非机械层的柱端弯矩,如图6b所示。

通过本节中几种不同方案的比较,我们认为,在设置加强层时,不应只强调顶点侧移最小这一个指标,应综合考虑结构抗侧刚度沿高度方向分布的均匀性、加强层在结构中引起的内力突变等因素,即每道加强层的刚度不宜过大,必要时,加强层可以多设置几道。

方案4侧移

(cm)2.3585.5448.51514.5417.0118.97

抗侧移效果

(%)

1.713.578.098.328.007.64

侧移

(cm)2.4075.7249.15414.9016.9918.81

方案5抗侧移效果

(%)

0.30.431.206.058.118.42

侧移

(cm)2.2784.8147.38612.6414.716.43

方案6抗侧移效果

(%)5.0416.2620.2820.3020.5020.01

4

5

3　几种方案的比较

为了研究在设置不同数量、不同位置的水平加强层等情况下,结构的抗侧刚度及内力分布状况,我们以天津国贸大厦为背景,计算比较了多种设置加强层的方案,表2列出了其中较典型的七种方案。

表2　加强层七种典型设置方案

方案编号方案1

方案2方案3方案4方案5方案6方案7　

加强层设置情况

无水平加强层

与原结构相比,只保留下面一个加强层　　(包括该层的周边环带)

与原结构相比,保留中、下两个加强层　　(包括该层的周边环带)

与原结构相比,只保留中间一个加强层　　(包括该层的周边环带)

与原结构相比,只保留上面一个加强层　　(包括该层的周边环带)

原结构,即在23～24层、35层、53层　设置了三个加强层(包括周边环带)设置三个加强层(包括水平伸臂与周边环带),　但加强层中支撑的截面相当于原结构的0.15倍

表3为其中六种方案的计算结果。比较方案2(在下部设置一道加强层)与方案1(不设置加强层),可发现,在底部设置一道加强层后,结构的下半部分抗侧移效果较好,但上半部分仍不理想;再看方案3(在中部和下部设置两道水平加强层),结构的

方案楼层11层

24层35层56层62层顶点

方案1侧移(cm)2.3995.7499.26515.8618.4920.54

侧移

(cm)2.3004.9057.87813.9916.5218.54

方案2抗侧移效果

(%)4.1314.6814.9711.7910.659.73

侧移

(cm)2.2754.8247.40513.1515.5717.53

方案3抗侧移效果

(%)5.1716.0920.0717.0815.7914.65

表3　六种加强层设置方案的计算结果比较

第1期易方民,等:水平加强层在超高层钢结构中的应用研究

表4　三种加强层设置方案的计算结果比较

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比较内容方　案方案1方案2

位　置侧移(cm)侧移(cm)抗侧移效果(%)

方案7

侧移(cm)抗侧移效果(%)

顶点20.5418.549.7018.2311.25

侧向位移及抗侧移效果62层18.4916.5210.616.3511.57

56层

15.8613.9911.7914.0411.48

35层9.2657.87814.978.1711.82

24层5.7494.90514.685.199.70

11层2.3992.3004.132.313.70

内芯筒柱的柱端弯矩(kN.m)52层2.915e52.712e5

34层2.492e52.038e5

22层2.623e59.292e

5

4.328e55.692e55.960e5

向应变比例相同时,结构内力分布最均匀,抗侧移效

4　水平加强层的刚度研究

4.1　加强层抗弯刚度与抗侧移效果、内力集中的关系

设置水平加强层是为了提高结构的抗侧移刚度以满足抗震或抗风设计要求。一些文献认为加强层的刚度越大,抗侧移效果越好,其实不尽然。图8就表示了天津国贸中心的顶点位移、加强层附近楼层的内芯筒的柱端弯矩与加强层抗弯刚度的关系。

果也好。因此,对于图9所示某高层建筑的简化平面等效示意图,当该建筑各加强层刚度使得结构各加强层段内,内、外柱的轴向应变满足式(1)时,其抗侧移效果最好,即

Δu3′Δu2′-Δu3′Δu1′-Δu2′

==(1)Δu3″Δu2″-Δu3″Δu1″-Δu2″

图8

图9　平面等效示意简图

从图8中可以看出,随着加强层刚度的增大,结构侧移减少,内力增大。但是,当加强层刚度达到一定值后,再提高加强层刚度对减少侧移已无明显效果,而底部加强层附近的应力集中却更加突出,更易形成薄弱层。所以,加强层抗弯刚度不宜取得过大,只是弥补整体刚度的不足。4.2　加强层抗弯刚度的选择

对于一个实际工程,如何根据抗震要求来选择加强层刚度,以及不同的加强层刚度按什么比例取值时,才能使整个结构的内力分布更为均匀,抗侧移效果更好?通过大量的计算及分析,我们认为,当每　　图9中:Ai为第i个加强层层间区的外柱截面面积;Li为第i个加强层层间区的高度;Ici为第i个加强层层间区的内芯支撑框架的等效截面惯性矩;Ibi为第i个加强层伸臂构件等效截面惯性矩;Mi为第i个加强层的反力矩;θi为第i个加强层的内芯在地震作用下的转角;Δui′为第i个加强层外围在地震作用下的竖向位移;Δui″为第i个加强层内芯在地震作用下的竖向位移;Δui为加强层为无限刚性情况下第i个加强层外围的竖向位移;d1为边跨跨度;2d2为结构总跨度。