高層鋼框筒結構靜力性能研究范文

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《鋼結構雜志》2014年第六期

1計算模型

鋼框筒立面模型CT如圖2a所示，在CT的基礎上施加預應力支撐后的跨層預應力支撐鋼框筒的立面模型CT1如圖2b所示，預應力支撐分布在鋼框筒結構的4個立面，每個立面每5層布置兩對預應力支撐，預應力支撐直徑為80mm，布置角度為45°，彈性模量E取1．95×105MPa，初始預拉力為367．38kN。為對鋼筒框結構施加預應力支撐前后作出較精確的靜力對比分析，計算采用SAP2000有限元桿系模型。

2抗側能力對比分析

風荷載作用下，鋼框筒最大層間位移角和頂點位移分別為1／772和125．21mm，跨層預應力支撐鋼框筒最大層間位移角和頂點位移分別為1／914和98．7mm。CT模型和CT1模型的側移如圖3所示。由圖3可知：對鋼框筒結構施加跨層預應力支撐這一方法，使鋼框筒結構的側移減小了26．9％，也即由于支撐預拉力的作用，其抗側能力明顯提高。

3剪力滯后效應

在矩形截面鋼框筒中，將水平荷載直接作用的一榀框架及與它平行的框架稱為翼緣；其余兩榀框架稱為腹板，如圖4所示。理想鋼筒體如同一個豎在地面上的箱形截面懸臂梁，在水平荷載作用下，其截面應力由經典彎曲理論公式確定，計算出的外框筒軸向應力呈直線分布，如圖5虛線所示，符合平截面假定。但由于實際鋼框筒結構存在剪力滯后效應，其柱軸向應力分布如圖5實線所示呈現非線性，即角柱軸向應力增大，越靠近中部軸向應力越小，結構已不滿足平截面假定。導致鋼框筒剪力滯后現象的直接原因是框筒窗裙梁的剪切變形，使得角柱的軸向變形大于翼緣各柱。剪力滯后現象在結構底層最為明顯，隨著層數的增加，其影響逐漸減小，因此，本文主要研究結構底部的剪力滯后效應。為了能簡單地對剪力滯后現象做出定量分析，只對翼緣框架的剪力滯后效應進行研究，且用角柱應力集中系數來衡量鋼框筒的剪力滯后程度。角柱應力集中系數定義為角柱軸向應力與翼緣框架柱（含角柱）的平均軸向應力的比值，角柱應力集中系數越大，剪力滯后效應越嚴重。分別以受拉翼緣和受壓翼緣兩側外框筒柱為研究對象，角柱應力集中系數為受拉（受壓）翼緣角柱軸向應力與受拉（受壓）翼緣框架柱軸向應力平均值的比值。跨層預應力支撐鋼框筒結構（CT1）和鋼框筒結構（CT）的角柱應力集中系數隨樓層的變化如圖6所示。由圖6可知，模型CT的角柱應力集中系數隨樓層的增高而逐漸降低，結構底部的剪力滯后現象最為嚴重，由于模型CT從上往下，每層翼緣柱的軸力都不均勻，這種不均勻的不斷積累，就造成模型CT最底端的剪力滯后現象最為嚴重。模型頂部特別是受壓翼緣柱一側角柱應力集中系數出現紊亂現象，這是因為在結構頂部，柱軸力較小、彎矩較大。模型CT1中1～30層的角柱應力集中系數分布呈鋸齒狀，且隨樓層增高鋸齒狀越明顯，但其值隨樓層的增高而降低。剪力滯后現象最嚴重的是模型底部和預應力支撐與角柱相交的位置。與預應力支撐和角柱相交處的下面樓層剪力滯后效應顯著增加，主要原因是預應力支撐將索力傳給角柱，而中柱的軸力在該層無顯著增加，致使角柱應力集中系數越往下越大。由于索力的作用，結構頂部柱軸力較小，彎矩較大，30～40層的受壓和受拉兩側翼緣柱角柱應力集中系數分布規律發生了變化，其中35～40層最為嚴重，出現了紊亂現象。由此可見，在結構的前30層當中，施加預應力支撐后，局部樓層受拉翼緣柱和大部分樓層受壓翼緣柱的角柱應力集中系數更趨近于1，其剪力滯后效應得到明顯改善。整體來看，受壓翼緣柱剪力滯后效應的改善程度優于受拉翼緣柱。

4預應力支撐參數分析

為了使帶預應力支撐的鋼框筒結構體系最優化，在“恒荷載＋風荷載＋活荷載”作用下，本文進一步研究了預應力支撐的初始預拉力、彈性模量、布置角度、截面直徑和布置方式等參數對跨層預應力支撐鋼框筒結構受力性能的影響，得出合適的參數。

4.1布索形式對結構性能的影響在其他參數一定的情況下（不考慮索的質量），研究不同的布索形式對結構性能的影響。由于在實際工程中，結構所受風荷載的方向是隨機的，因此預應力支撐宜布置成交叉剪刀形。考慮到結構的美觀和受力的對稱均勻性，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層布置一對交叉預應力支撐，該布索方式的模型為CT2；布索形式Ⅲ：在布索形式Ⅱ的基礎上，5～35層每10層布置一對交叉預應力支撐，1～5層、35～40層分別布置一對倒人字形預應力支撐和人字形預應力支撐，該布索形式的模型為CT3，此布索形式在外觀上與布索方式Ⅰ看似相同，但索的連接節點位置不同。3種布索方式如圖7所示，計算結果見表1。從表1可以看出，其他參數一定的情況下，模型CT1的布索方式最優。在模型CT1的布索方式下，結構的頂層側移分別比CT2、CT3減小了13．3％、9．3％，層間位移角分別比CT2、CT3減小了12％、8．3％，角柱應力集中系數和最大柱軸力也略小于CT2、CT3。

4.2布置角度對結構性能的影響在其他參數相同的情況下，根據模型CT的本身特點，預應力支撐的布置角度分別取22°、31°、39°、45°和58°，其變化對結構性能的影響見表2．由表2可知，結構頂層側移最小和最大的布置角度分別為31°和58°，其中布置角度為22°、39°和45°的情況下的結構側移略大于布置角度為31°情況下的側移；層間側移最小和最大的布置角度分別為45°和58°；幾種布置方式下的最大柱軸力近似相等。考慮到布置角度越大，跨層預應力斜支撐的數量和其與柱的節點數就越少，施工難度變小，因此，跨層預應力斜支撐的最佳布置角度約為45°。5．3初始預拉力、截面直徑和彈性模量對結構性能的相互影響在彈性模量E分別取1．3×105，1．95×105MPa兩種情況下，取索的直徑分別為100，80，60mm，取索的初始預拉力分別為0，100，300，500，700，900，1100kN，初始預拉力、截面直徑和彈性模量對結構性能的影響如表3和表4所示。由表3及表4可知：1）當索的彈性模量、截面直徑一定時，結構的頂層位移隨著初始預拉力的增加而逐漸減小，達到某一數值時，基本上保持穩定；最大層間位移角隨著初始預拉力的增大而先減小后增大，其轉折點處的初始預拉力數值與頂層位移開始保持穩定時的初始預拉力數值大致相等；外框筒柱最大軸力基本相等。2）當索的彈性模量、初始預拉力一定時，結構的頂層位移和最大層間位移角隨著索直徑的增大而減小。3）當索的初始預拉力、直徑一定時，索彈性模量為1．95×105MPa的結構頂層側移、最大層間位移角小于索彈性模量為1．3×105MPa的結構。

5結語

通過對施加跨層預應力斜支撐前后的鋼框筒結構的靜力分析，得出如下結論：1）對鋼框筒結構設置跨層預應力支撐，可顯著提高原結構的抗側能力，頂層側移能減小30％左右。2）對鋼框筒結構設置跨層預應力支撐，結構的角柱應力集中系數曲線分布呈鋸齒狀，改變了原結構的角柱應力集中系數曲線的形狀，且改善了原結構局部的剪力滯后效應。3）跨層預應力支撐宜布置成交叉剪刀形，根據結構的特征并考慮到經濟性，結構每面宜布置兩跨，且跨層預應力支撐的布置角度宜在45°左右。4）在工程條件允許的情況下，跨層預應力支撐宜選取較大的截面和彈性模量。

作者：張愛林趙玉龍劉學春趙亮趙海明張勁愛單位：北京工業大學建筑工程學院