第26卷, 第3期
2010年9月
世 界 地 震 工 程W ORLD E ARTHQUAKE ENGI NEER I N G
V o. l 26, N o . 3
Sep . 2010
文章编号:1007-6069(2010) 03-0123-04
空腹桁架式连体结构动力性能分析
张品乐, 李青宁
(西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西西安710055)
摘 要:为找出适合于大跨高层连体建筑的连接体型式, 采用静力和地震反应谱分析法对一实际工程采用普通空腹桁架, 混合空腹桁架、托梁及吊梁这4种方案进行了计算分析。结果表明:和普通空腹桁架方案相比, 混合空腹桁架方案能明显减小端部上、下弦杆的弯矩和剪力峰值及调整结构刚度。与托梁及吊梁方案比较, 混合空腹桁架方案的楼层刚度、质量分布比较均匀, 具有良好的抗震性能、延性和整体性, 支撑处结构的应力集中现象得到明显改善。因此建议在大跨高层连体建筑中, 连接体选型采用混合空腹桁架为宜。
关键词:高层建筑; 连体结构; 型钢混凝土; 动力分析; 方案优化中图分类号:TU 208. 3; P315 96 文献标志码:A
Dyna m ic analysis of an open web truss connected struct ure
Z HANG Pi n le , L I Q i n gn i n g
(S choo l ofC i vil Engi n eeri ng , X i an Un i vers i ty ofA rch itect u re and T echnology , X i an 710055, C h i na)
Abst ract :To find t h e best type of connecting bodies for a tall long span connected bu ilding , static and seis m ic m ethods are used to analyze a practica l buildi n g , w hich adopts the co mm on open w eb truss , the m i x ed open w eb
truss , t h e lo w er transfer g irder and the upper suspension bea m respecti v ely . I n contrast to the co mm on open w eb truss sche m e , the m ixed open w eb truss struct u re can obv iousl y reduce t h e m ax i m um m o m ent and shear o f t h e brace , and ad j u st the stiffness o f the str ucture . In contrast to t h e upper suspension bea m and the lo w er transfer bea m g ir der sche m es , the m ixed open w eb tr uss structure has better seis m ic perfor m ance , ductility and i n tegrity , further m ore itsm ass distri b ution and fl o or stiffness are ver y even , the stress concentration is not obvious . It is suggested to use the m i x ed open w eb truss i n the selection of the connecti n g body o f the tall l o ng span connected buildi n g . K ey w ords :ta ll bu ilding ; connected str ucture ; steel re i n fo rced concrete ; dyna m ic analysis ; sche m e opti m izati o n
引言
连接体是连体结构中的重要组成部分, 作为一种跨越式结构, 它可采用的结构形式主要有桁架式, 空腹桁架式、托梁式及吊梁式等。对于桁架式及托梁式和吊梁式连体结构, 文献[1-6]对其动力特性和地震响应进行过较多的研究。型钢混凝土空腹桁架连体结构是近几年才出现的一种结构, 现在仅有少量文献对型钢混凝土空腹桁架连体结构进行过抗震性能分析
[7-9]
, 对空腹桁架连接体进行专门重点分析的文献更少。
空腹桁架结构型式分为不带任何斜腹杆的普通空腹桁架和在空腹桁架的部分节间设置斜腹杆的混合空腹桁
收稿日期:2009-05-05; 修订日期:2009-11-02 基金项目:国家自然科学基金项目(10572107)
作者简介:张品乐(1975-), 男, 博士研究生, 主要从事土木工程结构分析及抗震研究 E m ai:l zhangp i n lezhang @163. co m 通讯作者:李青宁(1952-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事土木工程结构分析及抗震研究 E m ai:l l qn419@126. co m
124世 界 地 震 工 程 第26卷
架2种。文中将结合一实际工程对这2种结构型式及工程中常见采用的托梁及吊梁方式进行动力对比分析, 从中找出最佳连接体设计方案。
1 工程概况
图1所示的对称双塔连体建筑, 共25层, 塔顶高100m 。2个塔楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 并分别在楼道、电梯间及配电室设置了剪力墙。在两个塔楼顶部的23~25层设有连体, 连体分别采用普通型钢混凝土空腹桁架和型钢混凝土混合空腹桁架及托梁、吊梁连体4种结构方案, 托梁及吊梁方案如图2所示, 连体与塔楼采用刚性连接。工程处于抗震设防6度区, 但由于连体结构属于复杂结构, 为了安全起见仍进行了多遇地震下的验算。场地类别 类, 设计地震分组为第1组, 阻尼比取0. 05, 设计特征周期为0. 35s 。在进行静力对比分析时, 构件除自重外, 还有填充墙荷载、玻璃幕墙荷载、标准值都取为10kN /m;每层楼面
22
的活荷载标准值取为2. 0kN /m; 屋面活荷载标准值取为2. 0kN /m。
图1 空腹桁架连体结构整体图及连接体整体图F i g . 1 T he d i agra m o f the open w eb truss connected
structure and the connecti ng
body
图2 吊梁及托梁方案图
F i g . 2 T he schemes of the lo w er transfe r g irder
and t he upper suspension beam
2 静、动力性能对比分析
2. 1 2种桁架方案静力性能对比
经过计算, 未加斜腹杆时的普通空腹桁架连体内力和加设斜腹杆后的混合空腹桁架连体内力如表1、表2所示。
表1 空腹桁架连接体最大内力T ab l e 1 The m ax i m u m i nterna l forces o f the
comm on open web truss sche m e
受力部位顶层弦杆中层弦杆底层弦杆柱子
竖向面内弯矩/(kN ! m )
634. 5708. 5680. 61020. 6
轴向力/kN
2310. 72300. 92149. 02600. 8
扭矩/(kN ! m )
15. 818. 718. 15. 3
水平面内弯矩/(kN ! m ) 7. 67. 77. 4213. 0
受力部位顶层弦杆中层弦杆底层弦杆柱子
表2 混合空腹桁架连接体最大内力T ab l e 2 The max i m u m i nterna l force of t he
m i xed open w eb truss schem e
竖向面内弯矩/(kN ! m )
224. 5247. 5250. 8369. 0
轴向力/kN
1100. 01050. 4841. 62930. 5
扭矩/(kN ! m )
4. 04. 55. 44. 6
水平面内弯矩/(kN ! m )
5. 75. 65. 7210. 1
从表1和表2中可以看出2种方案弦杆最大弯矩, 最大轴力、最大扭矩都发生在连体结构中层弦杆与塔楼连接处。柱子最大弯矩发生在连体结构顶层。由于该空腹桁架连体结构柱距较大, 普通空腹桁架连接体内力非常大, 如未加斜腹杆时弦杆最大轴向力为2300kN, 柱子最大弯矩为1020kN ! m ; 2种结构的连体处的最大扭矩都比较小, 未加斜腹杆时最大扭矩为18. 73kN ! m 。加设斜腹杆后其弦杆最大弯矩和最大轴向力将分别比未加斜腹杆时分别减小65%和54%。加设斜腹杆后斜腹杆承受较大轴向拉力达到1100kN 。混合空腹桁架由于设置了斜腹杆, 使竖向荷载的传力方向和方式发生了变化, 由加设斜腹杆节间的上、下弦杆和斜腹杆以轴向力的形式承受整体的剪力, 将此节间杆件的弯曲变形转化为了轴向变形, 所以它对减小端部上下弦杆的弯矩和剪力, 减少连接体处的最大竖向位移、调整结构刚度的作用更为明显, 受力性能更为优越。2. 2 结构自振周期
4
小, 也即4种连体结构方案的建筑的整体刚度几乎相等。
表3 4种结构方案前10阶自振周期对比T able 3 T he first 10v i brati on per i ods o f the four sche m es
方案1
234
自振周期/s
12. 532. 552. 562. 56
22. 522. 522. 542. 55
32. 282. 282. 282. 28
4
0. 920. 920. 920. 90
5
0. 870. 880. 870. 86
60. 870. 870. 870. 85
70. 670. 680. 680. 67
8
0. 670. 670. 660. 66
9
0. 640. 650. 640. 64
10
0. 460. 470. 460. 45
2. 3 楼层质量分布
3种方案楼层的质量分布(2种空腹桁架的质量分布几乎相同) 见图3, 其中N 表示楼层数, M 表示楼层相对底层的质量比, 3种方案除了顶部2层楼层和大底盘楼层质量分布不同外, 其余楼层质量分布相同。从图中可以看出空腹桁架方案的楼层质量分布非常均匀, 突变较少。而托梁方案在第23层, 吊梁方案在第25
层都出现了质量突变。
图3 3种方案楼层质量分布
F i g . 3 F l oo r m ass d i str i buti on o f the three schemes
2. 4 楼层地震剪力
图4给出了3种结构方案X 和Y 方向的楼层地震剪力(2种空腹桁架的楼层地震剪力几乎相同) 。从图中可看出3种方案连接体以下各楼层地震剪力基本相同, 托梁在第23层、吊梁在第25层由于楼层刚度突然
增大使得相应的楼层剪力剧增。而空腹桁架连体由于质量和刚度的均匀分布使地震作用减少。使得在连接体处的楼层地震剪力最小。
2. 5
静力荷载及地震作用下支座角柱内力 表4给出了连体角柱在静力荷载效应组合作用下弯矩值和X 向地震作用下弯矩值(括号内数值) 。
从表4中可以看出空腹桁架和带斜腹撑空腹桁架在静力荷载效应组合作用下和地震作用下空腹桁架方案连接体角柱各层内力比较均匀, 而托梁和吊梁方案的角柱在托梁层和吊梁层均出现严重畸变。如在动力作用下托梁方案中托梁层处的连接体角柱的弯矩达到其上层角
图4 3种方案楼层地震剪力
F ig . 4 F loor earthquake shears o f the three schemes
柱的弯矩的7倍, 而吊梁方案吊梁层处的连接体角柱的弯矩达到其下层角柱的弯矩5倍。
出现上述内力畸变的原因应是在托梁和吊梁方案中, 托梁和吊梁层的质量和刚度发生突变, 导致此处连
接体受力也发生突变, 同时因为托梁和吊梁层刚度巨大, 使得其竖向支承构件反弯点向远端偏移, 进一步导致弯矩增大。托梁和吊梁方案竖向支承构件内力畸变引起支撑处角柱承载力不能满足要求, 在大震作用下这些关键构件将破坏。相反, 空腹桁架和带斜腹撑空腹桁架方案楼层质量和刚度分布比较均匀, 竖向支承构件的内力接近非连体区间竖向构件的内力, 连体结构承受的巨大支座内力由多层支座均匀分摊, 在连接体钢
表4 4种结构方案连接体角柱弯矩值对比T ab le 4 T he bendi ng mom ent in the co rner co l umn of t he
connecti ng body i n the four sche m es
受力位置
顶层角柱底层角柱
带斜腹撑空腹桁架/(kN ! m )
369(52)
357(55)
空腹桁架/(kN ! m ) 1020(62) 1000(56)
拖梁/(kN ! m ) 319(25) 1610(176)
吊梁/(kN ! m ) 3680(298) 476(59)
结构两端分别设置的沿X 和Y 方向的斜撑, 将地震时连接体水平剪力通过斜撑传给主体结构还可进一步提高主体和连接体的整体性, 这种均匀传力的结构体系无论在重力和水平地震作用下都具有极大的优势。
3 结语
(1) 相对于未加斜撑的普通空腹桁架, 混合空腹桁架连体结构由于设置了少量局部斜腹杆, 使竖向荷载的传力方向和方式发生了变化, 由加设斜腹杆节间的上、下弦杆和斜腹杆以轴向力的形式承受整体的剪力, 将此节间杆件的弯曲变形转化为了轴向变形, 所以它对减小端部上、下弦杆的弯矩和剪力, 减少连接体处的最大竖向位移、调整结构刚度的作用更为明显, 受力性能较空腹桁架连体结构更为优越。
(2) 梁式连体结构由于托梁、吊梁层的质量、刚度突变, 导致连接体受力突变, 其支撑处的应力高度集中, 连接体处破坏始于支撑处角柱, 难以形成有效破坏机制。
(3) 混合空腹桁架连体结构质量分布比较均匀, 突变较少, 能减轻大跨度连体结构中连接体引起的刚度突变、质量集中、支撑处应力集中, 其破坏始于桁架腹杆的弯曲破坏, 破坏前变形较大, 支撑处角柱和桁架腹杆两端部能形成塑性角, 耗能能力大, 连接体两端设置的斜撑将地震时连接体水平剪力通过斜撑传给主体结构还可进一步提高主体和连接体的整体性, 相对于梁式连体结构更利于抗震。如果建筑方案允许, 对于连体结构中的连接体选型应采用混合空腹桁架为宜。
参考文献
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第26卷, 第3期
2010年9月
世 界 地 震 工 程W ORLD E ARTHQUAKE ENGI NEER I N G
V o. l 26, N o . 3
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关键词:高层建筑; 连体结构; 型钢混凝土; 动力分析; 方案优化中图分类号:TU 208. 3; P315 96 文献标志码:A
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Abst ract :To find t h e best type of connecting bodies for a tall long span connected bu ilding , static and seis m ic m ethods are used to analyze a practica l buildi n g , w hich adopts the co mm on open w eb truss , the m i x ed open w eb
truss , t h e lo w er transfer g irder and the upper suspension bea m respecti v ely . I n contrast to the co mm on open w eb truss sche m e , the m ixed open w eb truss struct u re can obv iousl y reduce t h e m ax i m um m o m ent and shear o f t h e brace , and ad j u st the stiffness o f the str ucture . In contrast to t h e upper suspension bea m and the lo w er transfer bea m g ir der sche m es , the m ixed open w eb tr uss structure has better seis m ic perfor m ance , ductility and i n tegrity , further m ore itsm ass distri b ution and fl o or stiffness are ver y even , the stress concentration is not obvious . It is suggested to use the m i x ed open w eb truss i n the selection of the connecti n g body o f the tall l o ng span connected buildi n g . K ey w ords :ta ll bu ilding ; connected str ucture ; steel re i n fo rced concrete ; dyna m ic analysis ; sche m e opti m izati o n
引言
连接体是连体结构中的重要组成部分, 作为一种跨越式结构, 它可采用的结构形式主要有桁架式, 空腹桁架式、托梁式及吊梁式等。对于桁架式及托梁式和吊梁式连体结构, 文献[1-6]对其动力特性和地震响应进行过较多的研究。型钢混凝土空腹桁架连体结构是近几年才出现的一种结构, 现在仅有少量文献对型钢混凝土空腹桁架连体结构进行过抗震性能分析
[7-9]
, 对空腹桁架连接体进行专门重点分析的文献更少。
空腹桁架结构型式分为不带任何斜腹杆的普通空腹桁架和在空腹桁架的部分节间设置斜腹杆的混合空腹桁
收稿日期:2009-05-05; 修订日期:2009-11-02 基金项目:国家自然科学基金项目(10572107)
作者简介:张品乐(1975-), 男, 博士研究生, 主要从事土木工程结构分析及抗震研究 E m ai:l zhangp i n lezhang @163. co m 通讯作者:李青宁(1952-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事土木工程结构分析及抗震研究 E m ai:l l qn419@126. co m
124世 界 地 震 工 程 第26卷
架2种。文中将结合一实际工程对这2种结构型式及工程中常见采用的托梁及吊梁方式进行动力对比分析, 从中找出最佳连接体设计方案。
1 工程概况
图1所示的对称双塔连体建筑, 共25层, 塔顶高100m 。2个塔楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 并分别在楼道、电梯间及配电室设置了剪力墙。在两个塔楼顶部的23~25层设有连体, 连体分别采用普通型钢混凝土空腹桁架和型钢混凝土混合空腹桁架及托梁、吊梁连体4种结构方案, 托梁及吊梁方案如图2所示, 连体与塔楼采用刚性连接。工程处于抗震设防6度区, 但由于连体结构属于复杂结构, 为了安全起见仍进行了多遇地震下的验算。场地类别 类, 设计地震分组为第1组, 阻尼比取0. 05, 设计特征周期为0. 35s 。在进行静力对比分析时, 构件除自重外, 还有填充墙荷载、玻璃幕墙荷载、标准值都取为10kN /m;每层楼面
22
的活荷载标准值取为2. 0kN /m; 屋面活荷载标准值取为2. 0kN /m。
图1 空腹桁架连体结构整体图及连接体整体图F i g . 1 T he d i agra m o f the open w eb truss connected
structure and the connecti ng
body
图2 吊梁及托梁方案图
F i g . 2 T he schemes of the lo w er transfe r g irder
and t he upper suspension beam
2 静、动力性能对比分析
2. 1 2种桁架方案静力性能对比
经过计算, 未加斜腹杆时的普通空腹桁架连体内力和加设斜腹杆后的混合空腹桁架连体内力如表1、表2所示。
表1 空腹桁架连接体最大内力T ab l e 1 The m ax i m u m i nterna l forces o f the
comm on open web truss sche m e
受力部位顶层弦杆中层弦杆底层弦杆柱子
竖向面内弯矩/(kN ! m )
634. 5708. 5680. 61020. 6
轴向力/kN
2310. 72300. 92149. 02600. 8
扭矩/(kN ! m )
15. 818. 718. 15. 3
水平面内弯矩/(kN ! m ) 7. 67. 77. 4213. 0
受力部位顶层弦杆中层弦杆底层弦杆柱子
表2 混合空腹桁架连接体最大内力T ab l e 2 The max i m u m i nterna l force of t he
m i xed open w eb truss schem e
竖向面内弯矩/(kN ! m )
224. 5247. 5250. 8369. 0
轴向力/kN
1100. 01050. 4841. 62930. 5
扭矩/(kN ! m )
4. 04. 55. 44. 6
水平面内弯矩/(kN ! m )
5. 75. 65. 7210. 1
从表1和表2中可以看出2种方案弦杆最大弯矩, 最大轴力、最大扭矩都发生在连体结构中层弦杆与塔楼连接处。柱子最大弯矩发生在连体结构顶层。由于该空腹桁架连体结构柱距较大, 普通空腹桁架连接体内力非常大, 如未加斜腹杆时弦杆最大轴向力为2300kN, 柱子最大弯矩为1020kN ! m ; 2种结构的连体处的最大扭矩都比较小, 未加斜腹杆时最大扭矩为18. 73kN ! m 。加设斜腹杆后其弦杆最大弯矩和最大轴向力将分别比未加斜腹杆时分别减小65%和54%。加设斜腹杆后斜腹杆承受较大轴向拉力达到1100kN 。混合空腹桁架由于设置了斜腹杆, 使竖向荷载的传力方向和方式发生了变化, 由加设斜腹杆节间的上、下弦杆和斜腹杆以轴向力的形式承受整体的剪力, 将此节间杆件的弯曲变形转化为了轴向变形, 所以它对减小端部上下弦杆的弯矩和剪力, 减少连接体处的最大竖向位移、调整结构刚度的作用更为明显, 受力性能更为优越。2. 2 结构自振周期
4
小, 也即4种连体结构方案的建筑的整体刚度几乎相等。
表3 4种结构方案前10阶自振周期对比T able 3 T he first 10v i brati on per i ods o f the four sche m es
方案1
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自振周期/s
12. 532. 552. 562. 56
22. 522. 522. 542. 55
32. 282. 282. 282. 28
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0. 920. 920. 920. 90
5
0. 870. 880. 870. 86
60. 870. 870. 870. 85
70. 670. 680. 680. 67
8
0. 670. 670. 660. 66
9
0. 640. 650. 640. 64
10
0. 460. 470. 460. 45
2. 3 楼层质量分布
3种方案楼层的质量分布(2种空腹桁架的质量分布几乎相同) 见图3, 其中N 表示楼层数, M 表示楼层相对底层的质量比, 3种方案除了顶部2层楼层和大底盘楼层质量分布不同外, 其余楼层质量分布相同。从图中可以看出空腹桁架方案的楼层质量分布非常均匀, 突变较少。而托梁方案在第23层, 吊梁方案在第25
层都出现了质量突变。
图3 3种方案楼层质量分布
F i g . 3 F l oo r m ass d i str i buti on o f the three schemes
2. 4 楼层地震剪力
图4给出了3种结构方案X 和Y 方向的楼层地震剪力(2种空腹桁架的楼层地震剪力几乎相同) 。从图中可看出3种方案连接体以下各楼层地震剪力基本相同, 托梁在第23层、吊梁在第25层由于楼层刚度突然
增大使得相应的楼层剪力剧增。而空腹桁架连体由于质量和刚度的均匀分布使地震作用减少。使得在连接体处的楼层地震剪力最小。
2. 5
静力荷载及地震作用下支座角柱内力 表4给出了连体角柱在静力荷载效应组合作用下弯矩值和X 向地震作用下弯矩值(括号内数值) 。
从表4中可以看出空腹桁架和带斜腹撑空腹桁架在静力荷载效应组合作用下和地震作用下空腹桁架方案连接体角柱各层内力比较均匀, 而托梁和吊梁方案的角柱在托梁层和吊梁层均出现严重畸变。如在动力作用下托梁方案中托梁层处的连接体角柱的弯矩达到其上层角
图4 3种方案楼层地震剪力
F ig . 4 F loor earthquake shears o f the three schemes
柱的弯矩的7倍, 而吊梁方案吊梁层处的连接体角柱的弯矩达到其下层角柱的弯矩5倍。
出现上述内力畸变的原因应是在托梁和吊梁方案中, 托梁和吊梁层的质量和刚度发生突变, 导致此处连
接体受力也发生突变, 同时因为托梁和吊梁层刚度巨大, 使得其竖向支承构件反弯点向远端偏移, 进一步导致弯矩增大。托梁和吊梁方案竖向支承构件内力畸变引起支撑处角柱承载力不能满足要求, 在大震作用下这些关键构件将破坏。相反, 空腹桁架和带斜腹撑空腹桁架方案楼层质量和刚度分布比较均匀, 竖向支承构件的内力接近非连体区间竖向构件的内力, 连体结构承受的巨大支座内力由多层支座均匀分摊, 在连接体钢
表4 4种结构方案连接体角柱弯矩值对比T ab le 4 T he bendi ng mom ent in the co rner co l umn of t he
connecti ng body i n the four sche m es
受力位置
顶层角柱底层角柱
带斜腹撑空腹桁架/(kN ! m )
369(52)
357(55)
空腹桁架/(kN ! m ) 1020(62) 1000(56)
拖梁/(kN ! m ) 319(25) 1610(176)
吊梁/(kN ! m ) 3680(298) 476(59)
结构两端分别设置的沿X 和Y 方向的斜撑, 将地震时连接体水平剪力通过斜撑传给主体结构还可进一步提高主体和连接体的整体性, 这种均匀传力的结构体系无论在重力和水平地震作用下都具有极大的优势。
3 结语
(1) 相对于未加斜撑的普通空腹桁架, 混合空腹桁架连体结构由于设置了少量局部斜腹杆, 使竖向荷载的传力方向和方式发生了变化, 由加设斜腹杆节间的上、下弦杆和斜腹杆以轴向力的形式承受整体的剪力, 将此节间杆件的弯曲变形转化为了轴向变形, 所以它对减小端部上、下弦杆的弯矩和剪力, 减少连接体处的最大竖向位移、调整结构刚度的作用更为明显, 受力性能较空腹桁架连体结构更为优越。
(2) 梁式连体结构由于托梁、吊梁层的质量、刚度突变, 导致连接体受力突变, 其支撑处的应力高度集中, 连接体处破坏始于支撑处角柱, 难以形成有效破坏机制。
(3) 混合空腹桁架连体结构质量分布比较均匀, 突变较少, 能减轻大跨度连体结构中连接体引起的刚度突变、质量集中、支撑处应力集中, 其破坏始于桁架腹杆的弯曲破坏, 破坏前变形较大, 支撑处角柱和桁架腹杆两端部能形成塑性角, 耗能能力大, 连接体两端设置的斜撑将地震时连接体水平剪力通过斜撑传给主体结构还可进一步提高主体和连接体的整体性, 相对于梁式连体结构更利于抗震。如果建筑方案允许, 对于连体结构中的连接体选型应采用混合空腹桁架为宜。
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