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1、次框架开洞的巨型钢框架结构性能分析 第37卷第1期建筑结构2007年1月 陈麟张耀春周云 1 2 1 (1广州大学土木工程学院510405;2哈尔滨工业大学土木工程学院150090) 提要巨型钢框架结构相对其他结构体系而言,最显著的优点是可以满足大开洞的建筑功能要求。以结构 的内力、变形为指标,进行了次框架开洞的巨型钢框架结构在风荷载作用下的静力性能和地震作用下的抗震性能分析,并对开洞结构的设计提出了一些建议。 关键词巨型钢框架次框架开洞静力性能抗震性能 AnalysisonPerformancesofSteelMegaFrameStructurewithHoleinSubordinateSt
2、ructure ChenLin,ZhangYaochun,ZhouYun(1SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510405,China;2SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China) Abstract:Comparingwithotherstructuresystems,thesignificantcharacterofsteelmegaframeisthatitcanbeusedtosatisfythespecialbu
3、ildingformsandfunctions.Thestaticandearthquake-resistantperformanceofmegaframewithholeisanalyzed.Theeffectofholepositionofsubordinatestructureontheperformanceofmegaframeisalsodiscussed.Suggestionsarepresentedfordesignofthestructurewithhole.Keywords:steelmegaframewithhole;subordinatestructure;staticp
4、erformance;earthquake-resistantperformance 0引言 巨型框架的优点和特点之一是主次结构明确1,可以满足大开洞的建筑功能要求,在巨型框架的下部若干层高度范围内,可以按需要设置大空间的无柱中庭、展览厅和多功能厅等。如台湾的高雄银行大楼2,建筑外形象一枚古代的钱币,要求在结构的层1334中部开洞,因此采用了巨型框架结构体系。下面设计了一个规则的棱柱体巨型钢框架,在此基础上,将不同位置的次框架去掉以形成空洞层,分析次框架的开洞位置对巨型钢框架结构性能的影响。1计算模型 1.1规则的棱柱体巨型钢框架SF1A 设计的规则的棱柱体巨型钢框架模型SF1A是一座48层的
5、办公楼,高度为192m,层高均为4m。四根巨型柱分别位于四个角上,每12层布置一道巨型梁。结构底部与基础的连接为固接,梁、柱、支撑之间的连接均为刚接。结构平面与立面布置如图1所示,在风荷载和竖向荷载共同作用下3,合理的构件截面尺寸见表1。梁、柱、支撑采用钢结构,柱和支撑均采用箱形截面,梁为焊接工字钢。层124的柱子用Q345钢,其他杆件采用Q235钢,楼板采用压型钢板组合楼板,混凝土标号为C30,楼板折算厚度为11.5cm。1.2次框架开洞的巨型钢框架SF1D,SF2D,SF3D 为分析次框架开洞位置的影响,分别将图1模型SF1A底层到第一道巨型梁之间、 第一道巨型梁与第二 图1巨型钢框架模型
6、SF1A的立面和平面布置 道巨型梁之间、第二道巨型梁与第三道巨型梁之间的y向的次框架去掉,形成3个大开洞空间结构,依次得到模型SF1D,SF2D,SF3D。这三个开洞模型的侧立面与SF1A相同。在开洞位置的顶端设两层刚度很大的巨型梁转换层,以将开洞位置上部的竖向荷载传给巨型柱,为此还需加大巨型柱的截面。调整后的模型SF1D,SF2D,SF3D的构件截面尺寸见表1,梁、柱、支撑均选用Q345钢。 采用通用有限元分析软件ANSYS对结构进行计算分析。进行风荷载和竖向荷载作用下的弹性分析时,梁、柱、支撑均采用弹性三维梁单元Beam4,楼板采用弹性三维壳单元Shell63;进行罕遇地震作用下的弹 1
7、模型的构件截面尺寸(mm) 层号1121324253637481242548148148148 SF1A 巨型柱(9009005050)巨型柱(9009004040)巨型柱(8008004040)巨型柱(7007003030)普通柱(8008004040)普通柱(7007003030)巨型梁(8003001935)普通梁(7003001628)巨型梁、柱支撑(300 3001818) 层号11213242548148148148转换层148转换层 SF1D,SF2D,SF3D 表11.风荷载垂直于开洞面 在竖向荷载和垂直于开洞面的风荷载的共同作用 下,模型SF1D的构件最大应力为-299MPa
8、,发生在底层平面的Z1处;SF2D的构件最大应力为-281MPa,发生层22平面的Z1处;SF3D的构件的最大应力为-235MPa,发生在巨型梁转换层的支撑处;SF1A的构件最大应力为-281MPa,发生在底层平面的Z1处。 图2是模型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A的典型柱Z1,Z5的内力沿层高的变化曲线,从图中可见,次框架开洞的位置对巨型柱轴力的影响很大,对剪力和弯矩的影响不大,这是因为次框架开洞主要影响竖向荷载的传递。Z1和Z5的轴力在巨型梁转换层处均有突变,但Z5的突变更为明显,这是因为Z5的受荷面积比Z1的大。未开洞的巨型框架SF1A的最大柱轴力明显小于开洞框架的,未开洞框架与
9、开洞框架的柱剪力和柱弯矩则相差不大。 2.风荷载平行于开洞面 在竖向荷载和平行于开洞面的风荷载的共同作用下,模型SF1D的最大应力为-295MPa,发生在底层平面的Z1处;SF2D的最大应力为-302MPa,发生在层18的巨型柱支撑处;SF3D的最大应力为-292MPa,发生在层24的巨型梁支撑处。 图3是模型SF1DSF3D的典型柱Z1,Z5的内力沿层高的变化曲线,与图2相比,Z1,Z5的轴力变化不大,但剪力和弯矩有所增加,这是因为迎风面的面积增大了。 巨型柱(100010006060)巨型柱(9009005050)巨型柱(8008004040)普通柱(8008004040)巨型梁(8003
10、001935)普通梁(7003001628)梁(8003001935)巨型梁、柱支撑(3003001818) 支撑 (4504503535) 塑性时程分析时,梁、柱、支撑采用弹塑性三维梁单元Beam188,楼板采用弹塑性三维壳单元Shell181。三维壳单元有4个节点,每个节点具有空间6个自由度,能够很好地与空间梁单元协调,计算精度较高。2次框架的开洞位置对巨型钢框架静力性能的影响 在正立面设置面积很大的穿通洞口,一方面使立面有所变化,满足建筑要求,增加了建筑物的通透感;另一方面可减小迎风面积,降低风荷载值。日本东京的NEC大厦设置了三层楼高的洞口,可减小风力25%。由于巨型开洞高层结构体系多
11、数属于重要建筑,故在设计中常针对具体的结构进行风洞试验来确定设计荷载4。到目前为止,对其抗风设计中所需的风荷载体型系数还没有系统的有规律的科学研究,设计人员现在还无法从荷载规范中查出开洞体系的风荷载体型系数。文中只考虑开洞引起的风荷载受力面积的减小,基本风压取0.5kN m,地面粗糙度为C类。2.1结构内力分析 2 图2次框架开洞位置对巨型结构典型柱内力 的影响(风荷载垂直于开洞面) 图3次框架开洞位置对巨型结构典型柱内力 的影响(风荷载平行于开洞面) 2.2结构变形分析 1.风荷载垂直于开洞面 在竖向荷载和垂直于开洞面的风荷载的共同作用下,模型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A的顶层侧移
12、分别是227,214,197,261mm;最大层间侧移分别是6.23,5.88,5.48,7.15mm,分别发生在层21,18,26,19。图4是这4个模型的侧移和层间侧移沿层高的分布图 。 的截面,同时最好采用强度高的钢材。当风荷载垂直于开洞面时,次框架开洞位置位于巨型框架的中上部 对结构的变形是最有利的;当风荷载平行于开洞面时,巨型框架中上部的次框架开洞是最不利的。 3次框架的开洞位置对巨型钢框架抗震性能的影响 以模型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A为研究对象,按8度罕遇地震考虑,三维输入ElCentro波,分析次框架的开洞位置对巨型框架第二阶段抗震性能的影响,考虑二阶效应的影响。E
13、lCentro南北波、东西波、竖向波按实测比例分别调整为400,246,241gal,分别沿结构的y,x,z向输入。 表2是这4个模型的前6阶周期,从表中可以看出,模型SF1D,SF2D,SF3D的周期较为接近,和SF1A的周期相差较大。罕遇地震作用下,模型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A的x,y向顶层位移时程曲线见图6。 图4次框架的开洞位置对巨型框架变形 的影响(风荷载垂直于开洞面) 模型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A的前6阶周期(s)表2 周期 SF1DSF2DSF3DSF1A 14.7614.7374.7584.985 24.6774.7064.6624.985 33.0
14、243.0313.1273.237 41.4521.4211.3841.506 51.4241.4121.3691.506 61.0181.0010.9491.044 从图中可以看出,当风荷载垂直于开洞面时,结构中上部次框架开洞是最为有利的;层间侧移在巨型梁处都有突变,在巨型梁的转换层处,层间侧移的突变更大。未开洞巨型框架SF1A的层侧移和层间侧移均大于开洞巨型框架的,这是因为开洞结构可卸去一部分风荷载。 2.风荷载平行于开洞面 在竖向荷载和平行于开洞面的风荷载的共同作用下,模型SF1D,SF2D,SF3D的顶层侧移分别是218,223,233mm;最大层间侧移分别是5.99,7.53,7.5
15、7mm,分别发生在层21,15和26。图5是这三个模型的侧移和层间侧移沿层高的分布图,从图中可以看出,当风荷载平行于开洞面时,结构中上部开洞是最不利的,因为结构中上部的风荷载较大,在巨型梁的转换层处,层间侧移的突变更为剧烈。 以上分析结果表明,次框架开洞必须在开洞位置 图6ElCentro波下四种模型的顶层位移时程 的顶端设置刚度很大的巨型梁转换层,并加大巨型柱 由图6可看出,三个开洞巨型框架的y向顶层位移时程曲线很接近,SF2D和SF3D的x向顶层位移时程曲线也很接近,但与SF1D的x向顶层位移时程曲线有所差别。由于周期相差较大,未开洞框架SF1A的顶层位移时程曲线与开洞框架的相差较大。 模
16、型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A两个方向的层间侧移包络值沿层高的分布见图7。从图中可以看出,三个开洞框架模型的层间侧移在巨型梁转换层处均有较大的收进,SF2D,SF3D的最大层间侧移发生在开洞的 图5次框架的开洞位置对巨型框架变形 的影响(风荷载平行于开洞面) 位置,但SF1D的最大层间侧移发生在结构的中上部。 (下转) 3 (4)设计规范仅保证杆件在设计荷载作用下的安全状况,而不保证结构在极限荷载作用下的安全状况。用线性设计方法按比例求得的结构极限承载力与用杆件力学模型求得的结果能够相互印证,说明杆件的极限承载力与整个结构的极限承载力密切相关:一旦有结构杆件出现失稳破坏,那么整体结构
17、也就有坍塌破坏的可能。 参 图5星形结构的荷载-顶点位移曲线 考文献 1网壳结构技术规程(JGJ612003)S.北京:中国建筑工业出版 社,2003. 2MARSHALLPW.DesignConsiderationsforOffshoreStructuresHaving Non-LinearResponsetoEarthquakesC.ASCEAnnualConventionandExposition,Chicago,1978. 3MARSHALLPW,GATEWE,ANAGNOSTOPOULUSS.Inelastic DynamicAnalysisofTunularOffshoreStru
18、ctureR.OTC2908,Houston,Texas,May,1977. 4LIEWJYR,PUNNIYAKOTTYNM,ShanmugamNE.Advanced analysisanddesignofspatialstructuresJ.JConstructSteelRes,1997,4(1):21-48. 5PAPADRAKAKISM.Inelasticpost-bucklinganalysisoftrusses:review J.JournalofStructuralEngineering.ASCE,1983,109(9).6MAHEEBME.Post-failureAnalysis
19、ofSteelStructuresD.Purdue University,1992. 7RICHARDLIEWJY,TANGLK.Advancedplastichingeanalysisfor thedesignoftubularspaceframesJ.EngineeringStructures,2000,22:769-783. 8钢结构设计规范(GB500172003)S.北京:中国计划出版社, 2003. 此能够更加准确地求出该星形结构的极限承载力。3结论与讨论 基于杆件中部塑性铰模型的思想推导了一个更加合理的力学模型,并对一个星形结构进行了数值分析。 算例虽然简单,但还是能够验证该模型
20、的有效性,从中得到以下几点结论: (1)杆件力学模型能够有效地应用于空间钢结构的极限承载力的计算与分析。 (2)当采用杆件力学模型时,由于模型能够体现压杆失稳的全过程和反映压杆的屈曲后性能,因此能较准确地求出空间钢结构的极限承载力,给评估结构的承载能力提供良好基础。 (3)若不考虑使用杆件力学模型而仅考虑几何非线性和材料非线性时,计算结果将过高地估计空间钢结构的极限承载力,而且高估的程度不能确定,给评估结构的承载能力造成很大困难。(上接 ) 很大的巨型梁转换层,并加大巨型柱的截面,同时最好采用高强度的钢材。 (2)当风荷载垂直于开洞面时,次框架开洞位置位于巨型框架的中上部对结构的变形是最有利的
21、;当风荷载平行于开洞面时,巨型框架中上部的次框架开洞是最不利的。 (3)次框架的开洞位置对巨型钢框架在罕遇地震 图7ElCentro波下四种模型的层间侧移包络曲线 下的抗震性能的影响并不明显。 参 考 文 献 这4个模型的x向地震响应均比y向地震响应大得多。模型SF1D,SF2D,SF3D,SF1A的x向顶层最大侧移分别是746,715,690,845mm,最大层间侧移分别是22.9,23.3,25.7,27.03mm;y向顶层最大侧移分别是302,303,302,281mm,最大层间侧移分别是10.0,11.7,10.8,10.4mm。由此可见,次框架的开洞位置对巨型钢框架在罕遇地震下的抗震性能的影响并不明显。4结论 (1)次框架开洞必须在开洞位置的顶端设置刚度 1李君,张耀春.超高层结构的新体系巨型结构J.哈尔滨 建筑大学学报,1997,30(6):21-27. 2林同炎工程顾问公司.东云建台高雄85层大楼结构简介 C 两岸高层建筑之规范、设计与施工研讨会.高雄,1998.3高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ9998)S.北京:中国建筑 工业出版社,1998. 4顾明,王凤元等.超高层建筑风荷载的试验研究J.建筑结构 学报,2000,21(4):48-54.