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高层钢框筒结构静力性能研究

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《钢结构杂志》2014年第六期

1计算模型

钢框筒立面模型CT如图2a所示,在CT的基础上施加预应力支撑后的跨层预应力支撑钢框筒的立面模型CT1如图2b所示,预应力支撑分布在钢框筒结构的4个立面,每个立面每5层布置两对预应力支撑,预应力支撑直径为80mm,布置角度为45°,弹性模量E取1.95×105MPa,初始预拉力为367.38kN。为对钢筒框结构施加预应力支撑前后作出较精确的静力对比分析,计算采用SAP2000有限元杆系模型。

2抗侧能力对比分析

风荷载作用下,钢框筒最大层间位移角和顶点位移分别为1/772和125.21mm,跨层预应力支撑钢框筒最大层间位移角和顶点位移分别为1/914和98.7mm。CT模型和CT1模型的侧移如图3所示。由图3可知:对钢框筒结构施加跨层预应力支撑这一方法,使钢框筒结构的侧移减小了26.9%,也即由于支撑预拉力的作用,其抗侧能力明显提高。

3剪力滞后效应

在矩形截面钢框筒中,将水平荷载直接作用的一榀框架及与它平行的框架称为翼缘;其余两榀框架称为腹板,如图4所示。理想钢筒体如同一个竖在地面上的箱形截面悬臂梁,在水平荷载作用下,其截面应力由经典弯曲理论公式确定,计算出的外框筒轴向应力呈直线分布,如图5虚线所示,符合平截面假定。但由于实际钢框筒结构存在剪力滞后效应,其柱轴向应力分布如图5实线所示呈现非线性,即角柱轴向应力增大,越靠近中部轴向应力越小,结构已不满足平截面假定。导致钢框筒剪力滞后现象的直接原因是框筒窗裙梁的剪切变形,使得角柱的轴向变形大于翼缘各柱。剪力滞后现象在结构底层最为明显,随着层数的增加,其影响逐渐减小,因此,本文主要研究结构底部的剪力滞后效应。为了能简单地对剪力滞后现象做出定量分析,只对翼缘框架的剪力滞后效应进行研究,且用角柱应力集中系数来衡量钢框筒的剪力滞后程度。角柱应力集中系数定义为角柱轴向应力与翼缘框架柱(含角柱)的平均轴向应力的比值,角柱应力集中系数越大,剪力滞后效应越严重。分别以受拉翼缘和受压翼缘两侧外框筒柱为研究对象,角柱应力集中系数为受拉(受压)翼缘角柱轴向应力与受拉(受压)翼缘框架柱轴向应力平均值的比值。跨层预应力支撑钢框筒结构(CT1)和钢框筒结构(CT)的角柱应力集中系数随楼层的变化如图6所示。由图6可知,模型CT的角柱应力集中系数随楼层的增高而逐渐降低,结构底部的剪力滞后现象最为严重,由于模型CT从上往下,每层翼缘柱的轴力都不均匀,这种不均匀的不断积累,就造成模型CT最底端的剪力滞后现象最为严重。模型顶部特别是受压翼缘柱一侧角柱应力集中系数出现紊乱现象,这是因为在结构顶部,柱轴力较小、弯矩较大。模型CT1中1~30层的角柱应力集中系数分布呈锯齿状,且随楼层增高锯齿状越明显,但其值随楼层的增高而降低。剪力滞后现象最严重的是模型底部和预应力支撑与角柱相交的位置。与预应力支撑和角柱相交处的下面楼层剪力滞后效应显著增加,主要原因是预应力支撑将索力传给角柱,而中柱的轴力在该层无显著增加,致使角柱应力集中系数越往下越大。由于索力的作用,结构顶部柱轴力较小,弯矩较大,30~40层的受压和受拉两侧翼缘柱角柱应力集中系数分布规律发生了变化,其中35~40层最为严重,出现了紊乱现象。由此可见,在结构的前30层当中,施加预应力支撑后,局部楼层受拉翼缘柱和大部分楼层受压翼缘柱的角柱应力集中系数更趋近于1,其剪力滞后效应得到明显改善。整体来看,受压翼缘柱剪力滞后效应的改善程度优于受拉翼缘柱。

4预应力支撑参数分析

为了使带预应力支撑的钢框筒结构体系最优化,在“恒荷载+风荷载+活荷载”作用下,本文进一步研究了预应力支撑的初始预拉力、弹性模量、布置角度、截面直径和布置方式等参数对跨层预应力支撑钢框筒结构受力性能的影响,得出合适的参数。

4.1布索形式对结构性能的影响在其他参数一定的情况下(不考虑索的质量),研究不同的布索形式对结构性能的影响。由于在实际工程中,结构所受风荷载的方向是随机的,因此预应力支撑宜布置成交叉剪刀形。考虑到结构的美观和受力的对称均匀性,布索形式如下。布索形式Ⅰ:模型CT1的布索形式;布索形式Ⅱ:在模型CT的每一立面每10层布置一对交叉预应力支撑,该布索方式的模型为CT2;布索形式Ⅲ:在布索形式Ⅱ的基础上,5~35层每10层布置一对交叉预应力支撑,1~5层、35~40层分别布置一对倒人字形预应力支撑和人字形预应力支撑,该布索形式的模型为CT3,此布索形式在外观上与布索方式Ⅰ看似相同,但索的连接节点位置不同。3种布索方式如图7所示,计算结果见表1。从表1可以看出,其他参数一定的情况下,模型CT1的布索方式最优。在模型CT1的布索方式下,结构的顶层侧移分别比CT2、CT3减小了13.3%、9.3%,层间位移角分别比CT2、CT3减小了12%、8.3%,角柱应力集中系数和最大柱轴力也略小于CT2、CT3。

4.2布置角度对结构性能的影响在其他参数相同的情况下,根据模型CT的本身特点,预应力支撑的布置角度分别取22°、31°、39°、45°和58°,其变化对结构性能的影响见表2.由表2可知,结构顶层侧移最小和最大的布置角度分别为31°和58°,其中布置角度为22°、39°和45°的情况下的结构侧移略大于布置角度为31°情况下的侧移;层间侧移最小和最大的布置角度分别为45°和58°;几种布置方式下的最大柱轴力近似相等。考虑到布置角度越大,跨层预应力斜支撑的数量和其与柱的节点数就越少,施工难度变小,因此,跨层预应力斜支撑的最佳布置角度约为45°。5.3初始预拉力、截面直径和弹性模量对结构性能的相互影响在弹性模量E分别取1.3×105,1.95×105MPa两种情况下,取索的直径分别为100,80,60mm,取索的初始预拉力分别为0,100,300,500,700,900,1100kN,初始预拉力、截面直径和弹性模量对结构性能的影响如表3和表4所示。由表3及表4可知:1)当索的弹性模量、截面直径一定时,结构的顶层位移随着初始预拉力的增加而逐渐减小,达到某一数值时,基本上保持稳定;最大层间位移角随着初始预拉力的增大而先减小后增大,其转折点处的初始预拉力数值与顶层位移开始保持稳定时的初始预拉力数值大致相等;外框筒柱最大轴力基本相等。2)当索的弹性模量、初始预拉力一定时,结构的顶层位移和最大层间位移角随着索直径的增大而减小。3)当索的初始预拉力、直径一定时,索弹性模量为1.95×105MPa的结构顶层侧移、最大层间位移角小于索弹性模量为1.3×105MPa的结构。

5结语

通过对施加跨层预应力斜支撑前后的钢框筒结构的静力分析,得出如下结论:1)对钢框筒结构设置跨层预应力支撑,可显著提高原结构的抗侧能力,顶层侧移能减小30%左右。2)对钢框筒结构设置跨层预应力支撑,结构的角柱应力集中系数曲线分布呈锯齿状,改变了原结构的角柱应力集中系数曲线的形状,且改善了原结构局部的剪力滞后效应。3)跨层预应力支撑宜布置成交叉剪刀形,根据结构的特征并考虑到经济性,结构每面宜布置两跨,且跨层预应力支撑的布置角度宜在45°左右。4)在工程条件允许的情况下,跨层预应力支撑宜选取较大的截面和弹性模量。

作者:张爱林赵玉龙刘学春赵亮赵海明张劲爱单位:北京工业大学建筑工程学院

钢结构杂志责任编辑:田老师    阅读:人次