西北某商務(wù)中心高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析.txt其實(shí)全世界最幸福的童話，不過是一起度過柴米油鹽的歲月。一個(gè)人愿意等待，另一個(gè)人才愿意出現(xiàn)。感情有時(shí)候只是一個(gè)人的事，和任何人無關(guān)。愛，或者不愛，只能自行了斷。本文由201086q貢獻(xiàn)pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。第十八屆全國離層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年西北某商務(wù)中心高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析魏捷張文華廖耘（髓S廣卅謇柏生建筑工程設(shè)計(jì)事務(wù)所廣嫻510170）【提要】本文介紹了西北某高層商務(wù)中心的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)該結(jié)構(gòu)的諸多不利抗震條件，詳細(xì)介紹了RBS事務(wù)所的設(shè)計(jì)思路和解決方案，并著重分析了采用中心支撐和中心支撐不連續(xù)對(duì)該結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.［關(guān)鍵詞】方鋼管混凝土柱，中心支撐，鋼一砼組合結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)Abrstraet:Thepaperintroducesthesteel-structuredesignofviewofthepoorseismicdesignsituationofthisahigh-risebuildinginChinawest.Inintroducestheirbuilding，RBSassociatesconsiderationandresolvingidea.Especially，analysetheinfluencetoseismicresistancecausedbycentrebrac燃andthediscontinuationofthesebraces.Keywords卡concrete-filledrectangularsteeltubecolumn，centrebrace，steel-concretecombinationstructure，thediscontinuationofhorizontalforce-enduremembers1.前言本文所介紹的工程由于場(chǎng)地形狀的原因，建筑平面呈不規(guī)則的“L”型，同時(shí)建筑使用功能為上公寓下酒店，采用了兩套完全獨(dú)立的豎向交通系統(tǒng)（圖1.1）。原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，若圍繞豎向交通設(shè)置核心筒，則結(jié)構(gòu)嚴(yán)重偏心，難以抑制扭轉(zhuǎn):若不設(shè)核心筒，則很難滿足側(cè)移要求，且會(huì)出現(xiàn)抗側(cè)力構(gòu)件的高位轉(zhuǎn)換，鼯種方案均須對(duì)建筑平面作較大調(diào)整，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與受力性能也都不理想。RBS事務(wù)所接手該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，從體系抗震行為著眼，將結(jié)構(gòu)形式改為方鋼管混凝土柱+中心支撐結(jié)構(gòu)，借助鋼結(jié)構(gòu)開問較大，抗側(cè)力構(gòu)件布置靈活的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了建筑功能與結(jié)構(gòu)體系的有機(jī)結(jié)合，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本工程的設(shè)計(jì)中綜合了當(dāng)前高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的多個(gè)難點(diǎn)，如高烈度區(qū)，III類場(chǎng)地土，平面不規(guī)則，豎向不規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等。RBS事務(wù)所從研究此類魏捷，男，1963年出生.工學(xué)碩士，商級(jí)工程師548?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年圖1.1建筑典型平面（陰影部分為豎向交通區(qū)）結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，評(píng)估抗震性能的角度出發(fā)，對(duì)該工程作了較為詳盡的分析計(jì)算和歸納總結(jié)工作，并將階段性成果匯集于本文，敬請(qǐng)各位同仁批評(píng)指正。工程概況本工程位于陜西省西安市，總建筑面積約3萬m2,地上25層，地下兩層，建筑總高度約90m。一?三層為商場(chǎng)，餐廳等開放式空閬：四層至十一層為酒店：十二層為設(shè)備轉(zhuǎn)換層兼辦公層；十三層至二十四層為上下復(fù)式公寓。各層層高：首層、三層5.1m，=屢4.8m，十二層3.9m，酒店3.3m，公寓3.0m。塔樓平面尺寸為50.8mx29.0m，地面以上結(jié)構(gòu)主體高度為85.200m，高寬比H/B以裙房頂計(jì)為（0.45+8）/21=3.61V5，長(zhǎng)寬比為A/B=50.8/29=1.75，平面突邊16m>37x0.3=11.1m，屬平面不規(guī)則凹凸。場(chǎng)地地震基本烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.209,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類別屬III類，設(shè)計(jì)特征周期為0.430s。結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)思路本結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系為方鋼管混凝土柱+方鋼管混凝土中心支撐，樓面為現(xiàn)澆混凝士樓板+H型鋼粱的組合樓蓋體系。主要框架柱截面為700x700；鋼管壁厚為18?26mm；主要支撐截面為200x300和300x500，鋼管壁厚分別為10和14mm。本工程在體型上先天不足，又位于8度III類場(chǎng)地土上，對(duì)地震力的反應(yīng)遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載。若將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得過剛，則難于布置與控制扭轉(zhuǎn)，且地震反應(yīng)也更大，從抗震概念設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的角度來看都不合適。因此，我們選擇了抗震延性和變形能力更強(qiáng)的鋼構(gòu)件來形成柔性抗震體系，取彈性階段的層間位移角限值為1/3001"，遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的限值（111000）。第十八屆全嗣高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年璣混合結(jié)構(gòu)阻尼比f=o.05—0.02Vi百。按此計(jì)算，本結(jié)構(gòu)阻尼比為0.035，與文獻(xiàn)時(shí)，在鋼管內(nèi)充填混凝土也利于管壁局部穩(wěn)定，可增大板件寬厚比，提高鋼材利用率。根據(jù)文獻(xiàn)【2】中的公式，鋼一砼混合結(jié)構(gòu)的阻尼比取決于混凝土對(duì)側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)率【1】規(guī)定相符，而純鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比僅為0.02。本結(jié)構(gòu)方鋼管內(nèi)混凝土重量約為結(jié)構(gòu)總重的5%，經(jīng)對(duì)比，其對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的不利影響遠(yuǎn)小于阻尼比提高所帶來的有利影響。同就純框架體系而言，該結(jié)構(gòu)右側(cè)抗側(cè)移能力大于左側(cè)，而由予外立面的要求，無法在周邊設(shè)置支撐來提高結(jié)構(gòu)抗扭Rq度。因此，5層以上的塔樓中Y向支撐較多的布鬣于結(jié)構(gòu)左側(cè)，以平衡抗側(cè)力體系，減少結(jié)構(gòu)偏心（圖3.1）。同時(shí)。由于使用功能的要求，X向支撐主要布置于結(jié)構(gòu)右側(cè)，這就要求x向支撐與Y向支撐盡量分離，以避免橫縱支撐相連形成偏心筒而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)（圈3.1df）。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，這種布置方式會(huì)造成大量單片墻肢，對(duì)抗震不利，鋼結(jié)構(gòu)則無此問題。由于使用功能的交化，使得部分抗側(cè)力構(gòu)件無法延續(xù)至裙房，麗平移到結(jié)構(gòu)外圍（圖3.1a c）：同時(shí)，十二層的層高比相鄰層高600n強(qiáng)，為避免該層成為薄弱層，在該層增設(shè)了一棉支撐，并加大了支撐截面尺寸。上述原因使得結(jié)構(gòu)局部抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，但中心支撐的不連續(xù)相比剪力墻的不連續(xù)，受力特點(diǎn)有所不同，后文將作詳細(xì)分析。?■■??..HL?㈠?■??i??iir??..LL?a） l?2層b） 2—3Me）3?4層d） 5?12層e） 12”一一13層圖3.1各層支撐分布情況f） 14?屋面層550?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年整體計(jì)算結(jié)果a） 第一周期3.60秒（1.00）b） 第二周期341秒（0.94）c） 第三周期3.23秒（O.09）圖4.1結(jié)構(gòu)空間整體振動(dòng)圖（括號(hào)內(nèi)為平動(dòng)系數(shù)）T'——降膏T疆孵t—?tlEl一‘.’跫r—I：l/奄r—l螄。皇，一〉t：?二）卡1巨1=0“”7.：?：：,：｝》/、：0..一7'、L、/i慧，。iH?8卡/,一—一‘？司t?l一'a)X向b）Y向a） x向b） Y向圖4.2結(jié)構(gòu)層位移曲線圖圖4.3結(jié)構(gòu)層間位移曲線a）結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比為3.23/3.60 0.89<0.90；b）風(fēng)荷載下最大層間位移角1/569（16層）V1/400，滿足“高鋼規(guī)”第5.5.1條；地震荷載作用下最大層間位移角1/354（17層）<1/300,滿足“抗規(guī)”第5.5.1條；C）地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大彈性水平位移和層間位移分別為樓層兩端彈性水平位移和層間平均位移的1.09和1.24倍，滿足“抗規(guī)”第3.4.3-1條對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的限制：d）各層側(cè)向剛度與相鄰上一層側(cè)向剛度的70%,或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%的比值中最小者為1.14（12層），滿足“抗規(guī)”第3.4.2條側(cè)向剛度規(guī)則性要求。e）結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點(diǎn)加速度最大值為0.10m/s2<ZO.20m/s2，滿足“離鋼規(guī)”第5.5.1條舒適度規(guī)定。口計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期及位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。551?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)分類分析當(dāng)中心支撐在豎向不能連續(xù)時(shí)，其軸力將直接傳遞給框架柱和框架梁，從構(gòu)件層面來看，并不需要剪力壤結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換支承構(gòu)件。這使得中心支撐的布置較之剪力墻更為靈活，且不會(huì)影響層高。但從宏觀的角度來看，無法連續(xù)的中心支撐必定會(huì)按照“剛度最大，路徑最短”原則，將其所承受的水平力通過某種方式傳遞給其他抗側(cè)力構(gòu)件。因此從樓層剪力傳遞的角度來看，依然存在轉(zhuǎn)換構(gòu)件，只是這種構(gòu)件無需承擔(dān)支撐的重力荷載。通過分析歸納發(fā)現(xiàn)，中心支撐不連續(xù)大致可分為以下兩類情況：5.1支撐的隔棉和隔跨錯(cuò)動(dòng)■■一一一一 一一一?一一上層■■下層｛，?'_lt_?04i-Xl< ）1（、！、\X■k ）\=二一-二二,一?：.l2_tj《r.l?卡b）隔跨錯(cuò)動(dòng)一，?一.■；.t—?vl—?〕.一?a）鄰棉錯(cuò)動(dòng)圖5.1支撐的隔棉和隔跨錯(cuò)動(dòng)圖5.1a是本工程支撐不連續(xù)的主要形式，由于上層支撐不能直接的把軸力傳遞給鄰棉或隔跨的支撐，樓板充當(dāng)了轉(zhuǎn)換構(gòu)件的角色。如圖5.2所示，樓板的主應(yīng)力跡線由不連續(xù)的支撐端點(diǎn)急劇向相鄰支撐端點(diǎn)集中，此時(shí)樓板的受力形式接近于剪力墻。由于只是局部支撐構(gòu)件不連續(xù)，加之樓板面積遠(yuǎn)較剪力墻大，對(duì)剪力的擴(kuò)散能力很強(qiáng)，通過璧化分析發(fā)現(xiàn)，樓板剪力遠(yuǎn)小于其允許承載力。因此，只要采取相應(yīng)的構(gòu)造措施消除應(yīng)力集中，適當(dāng)增強(qiáng)樓板剛度和配筋，這種類型的支撐不連續(xù)并不會(huì)給結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能造成大的影響。，，yJ。一yyyX，，，，，/，，，/丁7了萬叉，，，Ia）樓板主應(yīng)力跡線b）樓板剪應(yīng)力云圖圖5.2鄰棉支撐間的剪力傳遞5.2支撐的鄰跨錯(cuò)動(dòng)552?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年圖5.3是可能出現(xiàn)的另一種支撐不連續(xù)形式，由予某一層使用功能的改變，導(dǎo)致該層支撐移動(dòng)到相鄰跨，下一層又恢復(fù)到原來位置。從抗側(cè)剛度來看，樓層的抗側(cè)剛度并未削弱，支撐的軸力傳遞也比較直接。但移動(dòng)到鄰跨的支撐軸力卻遠(yuǎn)大于原位置支撐，原因在于該支撐將支撐跨的柱軸力“拖曳”到了相鄰柱上，此時(shí)支撐的受力形式更接近于伸臂桁架，起到了協(xié)調(diào)豎向變形的作用，而其抗震承載力儲(chǔ)備則大幅降低。此類支撐不連續(xù)形式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有較大影響，在本工程設(shè)計(jì)中已盡量避免。對(duì)確需移動(dòng)到鄰跨的支撐，則采取將其下各層支撐都移動(dòng)到鄰跨的方法，以平均分配柱間軸力差。\/.彳〃/\?/P\\{3.73上遣。文等篇g影\：1.靠了孽！越/，／、j\\\、。/，，/1/彩N；y蘭蔓氫塞/77\\\卜6W遄圖5.3支撐的鄰跨錯(cuò)動(dòng)與受力圖結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制與抗震延性根據(jù)“抗規(guī)”規(guī)定，8，9度抗震設(shè)防區(qū)的高層鋼結(jié)構(gòu)宜采用偏心支撐，但國外的最新震害表明，偏心支撐在遭破壞后，由于耗能粱段變形嚴(yán)重，其修復(fù)工作不僅難度大，且耗費(fèi)昂貴【n。同時(shí)，相同截面條件下，偏心支撐體系的抗側(cè)剛度僅為中心支撐的1/4到1/3,支撐斜桿不發(fā)生屈服，不能充分利用構(gòu)件截面，其經(jīng)濟(jì)性也較差。因此，本工程中經(jīng)反復(fù)試算比較，仍決定采用中心支撐體系，并從提高支撐構(gòu)件的反復(fù)拉壓性能入手，保證結(jié)構(gòu)抗震延性。6.1方鋼管混凝士支撐的循環(huán)受力性能本結(jié)構(gòu)所采用的方鋼管支撐，最大計(jì)算長(zhǎng)度約為6.5m，截面尺寸為300x500X14，不計(jì)管內(nèi)混凝土貢獻(xiàn)，按經(jīng)典屈曲分析求得其歐拉臨界力為18937kN，而其截面屈服軸力為6700kN，遠(yuǎn)小于臨界屈曲力。因而，本工程支撐均可視為短粗支撐，不易發(fā)生整體屈曲失穩(wěn)。而在方鋼管內(nèi)充填混凝土，則可有效防止管壁在較大軸力下發(fā)生局部屈曲起皺。因而，由方鋼管混凝土構(gòu)成的實(shí)心截面支撐，其抵抗反復(fù)荷載的能力要明顯優(yōu)于H型鋼或其他類型的薄壁桿件支撐。同時(shí).中心支撐憑借軸向變形耗能，其耗能效率高于依靠彎曲變形耗能的偏心支撐，文獻(xiàn)【3】中對(duì)本結(jié)構(gòu)所作的罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析表明，在中心支撐多數(shù)屈服的情況下，僅有個(gè)別框架柱出現(xiàn)了塑性鉸，支撐的保護(hù)作用顯著。同時(shí)，作為第一道抗震防線，中心支撐的更換和維修較為方便，對(duì)建筑使用影響不大，是適合本工程的抗側(cè)構(gòu)件形式。553?第十八屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文2004年6.2跨層x撐的受力性能本工程中大量使用了跨層X支撐。如圖6.2所示，入字形支撐和跨層X形支撐在彈性階段的抗側(cè)剛度基本相同。但由圖6.2Pushover結(jié)果可見，跨層X撐體系的極限變形能力明顯優(yōu)于單一人字撐體系。對(duì)入字撐體系，當(dāng)其中一肢支撐發(fā)生受壓屈服，整個(gè)支撐也就喪失了繼續(xù)吸收地震力的能力：而跨層X撐則需4根支撐依次屈服后才會(huì)完成變形，能更加充分的發(fā)揮支撐桿件的變形能力，在彈塑性階段具有更好的抗震延性。\//\\/〃\圖6.1人字撐與跨層X撐/\/\/\圖6.2人字?jǐn)f與跨層X撐的極限推覆形態(tài)（放大比例相同）結(jié)語本工