某超高层结构中巨型斜撑受力分析

第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集 杭州· ��� 某超高层结构中巨型斜撑受力分析 丁锡荣’ !∀ 广东工业大学, 赖鸿立 ’ 焦柯 � � 广东省建筑设计研究院 # 【摘 要】∃ % 米高某超高层结构 , 底部采用巨型斜撑作为竖向主受力构件之一 。 为弄清楚巨型斜柱在结 构中的作用 , 本文分斜柱和直柱两个模型用通用结构分析与设计软件 &∋ ()∗ 计算 , 通过比较两模型在竖向 荷载、 风荷载、 地震作用下结构变形和承载力, 说明在该工程中采用斜撑 , 可以提高结构的抗侧刚度和稳 定性, 减小结构水平位移, 使结构在满足功能和美观要求的同时 , 又能获得较好的传力性能+ 【关键词】超高层结构, 巨型斜撑, 抗侧刚度 % 工程概况 ∃ % − 某灯塔式超高层结构如图 %所示, 建筑面积约 . + 万 − , 。 地上部分为 / 层 , 地 下为 � 层 , 本结构体形复杂, 整个主体结构在体形上发生了多次突变 。 %0 1� 层 、 1% 0 1/ 层 、 12 0 2� 层剪力墙布置分别如图 %一3 、 图 %一 、 图 ∀一4所示 。 圆筒剪力墙 !图 ∀一。中圆圈 标出#厚度在 %0 1% 层 、 1� 0 1/ 层分别为 /1� 5.− 、 6� �咖 , 方筒剪力墙 !图 %一 中红色矩形标 。 结构层 1% 平面图 4 结构层 12 平面圈 店绪构层 + 平面图 7 结构层 ∃� 平面图 圈 % %� 2 第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集 杭州·��� 出# 厚度在 ∀0 1 %层 、 1�0 1/ 层、 120 68 层、 /�0 2�层分别为 2��咖 、 /��朋 、 6��恤、 16�腼 + 六根钢管混凝土大柱在平面图和立面图位置分别在图 卜3 、 图 %一9 用红色圆圈标出, 按 /� ’ 沿圆周布置 , 截面尺寸从 %0 8 层 中�/��:/� !�/�� 外直径, /� 为钢管厚度#, 沿结构高度 逐渐减小到中%��� : ∃� 。 地面以上剪力墙筒内部的梁为混凝土梁, 其余为钢梁, 钢梁截面 形式采用箱型和工字型。 斜柱模型的斜柱所在楼层为 % 0 8 层 , 上下端点到平面形心距离分别为 %2− 、 ∃2− , 与水 平面所成锐角为 ;� “ , 竖柱模型是将模型 % 的斜柱从其顶点位置 !如图 %币 与 %一 # 改成 竖直柱, 柱轴线到平面形心距离为 %2− 。 � 计算分析 本工程采用能够反映楼板平面内外实际刚度的壳单元进行模拟施工计算。 如下分别为 斜柱模型和竖柱模型在竖向荷载、 风荷载 、 地震作用下的内力、 的对比分析。 � + % 竖向荷载 < + 位移对比 图 �给出恒载作用下斜柱与竖柱楼层最大竖向位移差值 / = , / = 二> 。一> , , 从图中看出采用斜柱方案竖向位移大一些 , 而最 位移以及结构本身稳定性 厂一一竹一——? 厂了丁一, ≅ 0 0 ≅ 0 钾≅ ≅ ≅ , #⋯⋯,大位移差出现在第 层 。9 + 板主拉应力对比 图 ∃给出了斜柱与竖柱两模型在恒载作用下结构 8 层楼板最 大主拉应力 , 从图中可以看出 , 斜柱模型楼板最大主拉应力在 1Α∗< 左右 , 远大于竖柱模型 � + (Α∗ < 左右 , 也超过了楼板混凝土等级 Β∃6 混凝土的抗拉强度设计值 %+ 62Α∗ < 。 这是由于斜柱在恒载作用下 , 顶点有较大的水平分力。 图 � “““ 二巨习≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅≅礴礴 一一一 一护Χ 孔自住 +++++666ΔΔΔΔΔ 劝 + 峨峨峨 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%咭咭叼叼⋯+ ‘‘吝吝���又又居居公公公公公公公公公公公公公几几 一一 二+月〕一一 恒载下楼层最大竖面位移 图 ∃ 恒载作用下楼板最大主拉应力 � + � 风荷载 第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集 杭州 · ��� 图物、 图肠 分别给出斜柱和竖柱两个模型在 � 度风作用下各楼层最大位移差值△ Ε 最大位移角差值△ 。 , △ΕΦ Ε 。一 Ε 。 , △ 。 Φ 。 , 一 。 。 , 从位移差曲线看出, 在 %0 8 层位移 差增加较快, 在 %� 0 2� 层增加缓慢。 位移角差值曲线在 %0 / 层斜率为正 , 20 %� 层斜率 为负, 说明位移角差值在 卜/ 层沿高度逐渐变大,而在 / 0 %� 层逐渐变小。 两条曲线都具有 共同点, 在 %0 %� 层曲线 Γ 坐标随Η 坐标增加变化较大, 而在 %% 0 2� 层 Γ 坐标随 Η 坐标 增加基本保持不变, 说明斜柱可以减小风作用下结构的水平位移 , 特别是在有斜柱的 %一8 层位移明显减小。 ΔΔΔΔΔΔΔΔΔΔΔ度风作用下水平纽大位移移 。。 =⋯泌厂厂巡巡 % + , > ‘ ∀∀∀““⋯巨≅≅≅≅���������� � � � 1� � / � ���位位移位 !一### ΙΙΙΙΙΙΙΙΙ度风妞层星大位移角角。。#队队队咚咚 % + ’ 考 5 ’ ∀∀∀’’⋯毙毙毙毙毙毙毙毙毙毙毙毙毙毙毙+++++ 鹅柱% � , � � � � + �� ∃∃∃∃∃位位 二 ,,,00000 , ,,,角角角位位位 < 楼层最大位移及位移差值 9 楼层最大位移角及位移角差值 图 1 � 度风作用下 Γ 向, 大层位移及最大层位移角 � + ∃ 地展作用 。 周期对比 ∀ 比较了斜柱模型与竖柱模型的自振周期。 斜柱自振周期 较小 , 其中平动周期为竖柱的 /ϑ左右, 而扭转周期基本相同。 可见斜柱模型提高了侧向刚度 + 9 各楼层墙柱剪力对比 图 6 一< 、 图 6 一9 分别给出斜柱和竖柱两个模型在 � 度地震作用 下各楼层墙柱剪力分配情况 , 其中剪力差△卿 , Κ , 。 从图 6吸中看出 , 竖柱模型在第九层墙剪力超过斜柱模型 %� ��� 州 左右 , 而在其他楼层基本相同 , 而从图 6七柱剪力差曲线中看出 , 在 %一 8 层 , 斜柱模型柱剪力远远大于竖柱棋型 , 这是因为斜柱在地震 作用下产生较大轴力 , 将轴力在水平面上进行投影 , 从而产生较 大的水平力作用 。 由于两个模型中除六根大柱外其余柱的水平剪 力基本相同 , 作者通过手算得出在 Δ度地震作用下 , 六根大柱柱 底产生水平分力为 �6 /1 �水, 这与第一层柱剪力差结果吻合 + 表 , 自振周期 周周周 斜斜 竖竖 斜柱ΛΛΛ 期期期 柱柱 柱柱 竖柱柱 ::: ∀∀∀ 6 + � 666 6 + /// � + /// !!!!!Η### 代##### 程程程 1 + 8 6 + 2 666 � + /// !!!!!Γ ### !Γ ##### :::∃∃∃ � + 6��� � + 6888 � + 8222 !!!!!扭### !扭##### :::111 % + 111 � + %��� � + /// !!!!!Η### 代##### ::: 666 %+ ∃∃∃ � + �888 �+ 222 详详详### !Γ # 第十四届全国工程设计计葬机应用学术会议论文集 杭州·��� 一叹垃口作用 下+ 层幼挤匀时比 刃一 往注力了+∀ΜΝ+ΜΝ+挤皿妇� 丫了 � !!∀#!∀! 一∀!!#∃ %称城 & & & & 一 & && & & & & & & %& & & & ∋ & & & & 目目目目目目目目目目目 翻翻翻翻 一刁卜一 肠住住 ((())))) ∗ 砚且性性 一一一一目+, ��� +++ 「「冬冬冬 一一 飞『『『『『『,,,,,爵爵尸尸���−−−−−−− . 各楼层墙剪力及剪力差 . 各楼层柱剪力及剪力差 图 / & 度地展作用下各楼层墙柱剪力 % − 0 稳定性验算 稳定性验算是本工程较难通过的一个指标 , 在初步设计方案中曾采用过多个方案进行 验算 , 结果并不理想 。 最终确定布置斜柱来提高结构稳定性 , 效果较为理想 。 下面以三个 不同模型的稳定性验算来说明其效果 , 结果如表 % 所示 。 其中加厚墙模型是加大竖柱模型 中 1 2 层墙厚度 , 其中圆筒剪力墙3图 ∀、 中圆圈标出4厚度由原来 5&& ,6∀6 改为 7&& (6∀6 ,方筒剪力墙3图 一 8 中矩形标出4厚度由原来 9&& ,:;6 改为 7&& <∀6 。 表 % 稳定性验算 模模型型 & 度方向向 2& 度方向向 结结结构侧向刚度度 0 = > = > = 艺??? 稳定性性 结构侧向刚度度 −0 = > = > = 艺??? 稳定性性 33333 ≅ & ’‘444 3 ≅ & ’‘44444 3 Α ‘ & ” 444 3 ≅ & ’44444 斜斜柱柱 ∋ − % − 5222 满足足 % − 2/// % −5 222 满足足 竖竖柱柱 %− ““ % − 5999 不满足足 % − / % −5 999 不满足足 加加厚墙墙 % − 9&&& % − 9&&& 满足足 % − /999 % − 9&&& 不满足足 从表 % 中看出竖柱模型稳定验算不满足 , 改为斜柱后 , 结构的侧向刚度增加 9 −5 Β , 从而使结构满足稳定验算 。 增加墙厚度 , 也可以达到提高结构稳定性的目的 , 但效果不如 斜柱方案好。 % − / 楼板不同计算假定的分析 表 ∋ 和表 0 分别给出楼板不同计算假定下对梁柱 3位置如图 刁 、 ∀一Χ 、 ∀一所示 4 内力 的影响− 从表 ∋ 看出, 在第 2 层梁内力相差较大 , 这是由于与斜柱相连的梁有较大轴力− 采用楼板无限刚假定 , 忽略了这种轴力 , 使得两者产生较大差异 , 支座负筋的配筋率相差 /& Β左右 。 而在第 ∋% 层 , 梁轴力较小 , 这时采用楼板无限刚假定 , 对结果影响不明显。 第十四届全国工程设计计算机应用学术会议论文集 杭州 ·� �� 表 ∃ 不同楼板假定对梁内力影响 工工况况 弹性楼板板 无限刚刚 ΑΑΑΑΑ Ο承Π , 峋峋 Θ Ο !州### Π承Π### Α Ο你Π + Α### Θ Ο !幽### Π你Π### 888 层层 恒恒载载 %∃� ∃666 一∃ 222 � ∃∃∃ % ����� ��� 度地震震 /� /// %2 222 28 666 6 %��� %188888 ��� 度风风 。%1111 ·%�∃∃∃ %�1 888 ·� �/// 二/ 66666 ∃∃∃ � 层层 恒恒载载 · �111 � %666 ·∃∃∃ 一 � 888 � %22222 ���度地震震 ·� 666 ·�/// ��� 度风风 一∃666 ∀��� ∃∃∃ ·∃ ∃∃∃ ∀����� 表 1 不同楼板假定对柱内力影响 层层数数 工况况 弹性楼板板 无限刚刚 ΠΠΠΠΠΠΠ伙Π### Α Ο伙Π + Α### 竹!ΡΠ ### Π !ΡΠ ### Α Ο !ΡΠ · Α### ΚΣ !ΡΠ ### %%% 层层 恒载载 %�1 1���� % ��� · %%∃666 %�68 8222 8 2�666 一% / ��� ����� 度地震震 ·�/ 21 ��� 1∃888 ·2 ���� ·� 2 %�/// 8 /111 + % %���� ΔΔΔΔΔ度风风 ·1� ∃ 222 ·6 6∃∃∃∃ 1 2888 ·1�1 ���� ·2�∃ 2 Τ666 888 层层 恒载载 61 �/ ∃∃∃ 1 ∃ % · %1 % 6 6� %��� %1222 ·∃ �666 ΔΔΔΔΔ度地震震 一 %8 �∃222 88888 68 888 一%8/ �∃∃∃ %∃8 111 � ����� 度风风 ·�8 8 111 ·∃888 8 6666 一∃�/ ∃888 %1� ��� ∃ 2 %%% ∃∃∃ � 层层 恒载载 � ∃ %8 666 · %/��� · 666 �� 8/��� 一 %6222 · %8 ��� �����度地震震 。 %%1 ∃∃∃∃ %� �888 · % ��� 。% %6 % %%∃111 一 %2��� ΔΔΔΔΔ度风风 一 %6 %1/// %� 222 ·�∃ ��� ·%6� 1666 % %%666 ·�� 从表中看出, 不同楼板假定对柱的弯矩和剪力影响较大 , 轴力影响较小 。 对于不同层 数而言, 第 8 层影响最为明显 , 因为此层是斜柱的最上一层 , 楼板平面有较大水平力作用 。 越往上影响越小。 ∃ 结论 在工程中采用斜撑 , 可以提高结构的抗侧刚度和稳定性 , 减小结构水平位移 ,使结构在 满足功能和立面要求的同时 , 又能获得较好的结构性能 , 但由于斜柱结构中有较大水平力 分量作用 , 设计时必须考虑与柱相连的梁的轴力 , 以及楼板的平面内变形较大的影响。 参考文献 〔∀〕广东省建筑设计研究院 , 深圳市广厦软件有限公司 + 建筑结构通用分析与设计软件七 (()∗ 说明书〔Υς + 【幻 中华人民共和国行业标准 + 高层建筑混凝土结构技术规程 Ω&Ω∃ 一 ��� � , Ω% /一 � �� �【6ς + 【∃」中华人民共和国国家标准 + 混凝土结构设计规范 &Ξ 6�� %� 一 �� �� 【6% +