吴申申1,2,* 张雪峰2 袁兴方2
(1.同济大学土木工程学院,上海 200092; 2.华东建筑设计研究总院,上海 200002)
摘 要：不对称斜柱设计比以往常见的对称斜柱设计形式更加复杂,因此以某钢框架-核心筒结构的超高层塔楼为例,阐述了不对称斜柱结构的受力分析。提出了针对不对称斜柱采取的措施,以及对斜柱层采取0.2Q0剪力调整的方法,同时采用ABAQUS对斜柱层水平钢斜梁与核心筒内置型钢连接处的节点进行分析,证明了此节点设计的可靠性,希望能够对类似的项目提供参考。
关键词：不对称, 斜柱, 节点设计
框架核心筒体系在国内超高层结构形式当中普遍被工程师所接受。随着人们对建筑外形创新的不断追求,越来越多的建筑师要求采取斜柱的形式,来突显立面造型,同时也增大了楼层内部的适用空间。然后大多数斜柱形式都是对称的布置,包括外斜和内收的形式。此种结构方式虽然对框柱节点区产生较大的轴力和剪力,但是在竖向荷载作用下对于整体结构的受力属于平衡状态,核心筒所承担的由于重力荷载产生的附加剪力和弯矩几乎为零。然而当建筑两侧斜柱不对称布置时,则大大增加了结构设计的难度[1]。
昆山研祥国际金融中心项目为满足建筑立面的需要,主塔楼在第5～8层,21～27层,46～49层的南北侧外框柱采用斜柱形式[2]。本文基于此项目重点阐述了针对不对称斜柱布置对结构体系的影响,并提出了相应的解决方法,同时对斜柱节点进行了有限元的分析。研祥塔楼结构立面简图如图1所示。
2.1 对称斜柱
斜柱层的水平分力通过楼层水平构件传递到核心筒,从而造成斜柱楼层范围内的核心筒产生水平附加剪力。根据斜柱的布置形式,以及荷载的作用方向,均会影响斜柱层范围内核心筒的水平剪力大小。
图1 研祥塔楼结构立面图
Fig.1 Structural elevation of Yanxiang Tower
对称斜柱的传力示意图如图2所示。
得出以下两点结论:
(1) 在竖向荷载作用下,对称内收与外斜的斜柱布置时,核心筒承担的附加剪力和弯矩接近为零。
(2) 在水平荷载作用下,对称内收斜柱布置时,斜柱轴力产生的水平分力与水平荷载作用方向相反,能够有效减少核心筒承担的水平剪力;对称外斜斜柱布置时,斜柱轴力产生的水平分力与水平荷载作用方向相同,则加大核心筒承担的水平剪力。
2.2 不对称斜柱
不对称斜柱层框架与核心筒(刚性杆假定)传力示意图如图3所示。
得出以下两点结论:
(1) 在竖向荷载作用下,不对称内收与外斜的斜柱布置时,核心筒承担的附加剪力即为斜柱轴力水平分力。
(2) 在水平荷载作用下,不对称斜柱布置与对称斜柱布置对剪力墙的受力性质相同;然而不对称斜柱布置比对称布置的核心筒所承担的附加剪力和附加弯矩在同等条件下(例如,斜柱倾斜角度、上部传递的楼面荷载、楼层高度等)要少一半左右。
图2 对称斜柱传力示意图
Fig.2 Sketch of force transmission of symmetric inclined column
图3 不对称斜柱传力示意图一
Fig.3 Sketch 1 of force transmission of asymmetric inclined column
3.1 理论分析
研祥塔楼采取了钢框架-核心筒的结构体系,剪力墙通过连梁连接形成核心筒结构。因此,在上节提到的不对称斜柱简化模型基础上,考虑连梁的作用,不对称斜柱层框架与核心筒的传力示意图如图4所示。
在刚性杆假定下,斜柱起止层的水平力由与之相连的梁轴力平衡,上下相邻层均不承担水平力;由于本工程核心筒为多片剪力墙和连梁围合而成,连梁在剪力墙之间起到了直腹杆作用,因此在斜柱层及临近楼层范围内除轴向力外还承担了弯矩和剪力,其余楼层基本同普通连梁;在斜柱层的相关剪力墙主要承担弯矩、剪力和轴力(部分轴力为桁架效应引起)。
由于斜柱均出现在Y方向,Y方向核心筒剪力墙在斜柱层出现了较大的附加弯矩和剪力,随着远离斜柱层,弯矩和剪力逐渐变小;而X方向核心筒剪力墙除了在32层(加强层)出现了较小的弯矩,其他楼层的附加弯矩很小。
3.2 斜柱起止层水平分力统计
基于上节的分析,在竖向荷载下斜柱轴力的水平分力转化为框柱和墙的剪力,因此通过Midas Gen计算得出如表1所示的数值。
表1 斜柱起止层水平分力统计
Table 1 Statistics of horizontal forces in floors with inclined columns
楼层荷载水平剪力/kN墙柱墙、柱合计重力荷载水平分力/kN5层恒载1444879212236922954活载45532598715172818层恒载1400975792158822159活载441324966909709821层恒载1314965081965719779活载451121056616666124层恒载1668314461812818598活载55975556152631827层恒载1130250701637116698活载347915605039513246层恒载4089270667956930活载11098171926198149层恒载269045731463249活载6462939391064
图4 不对称斜柱传力示意图二
Fig.4 Sketch 2 of force transmission of asymmetric inclined column
可以看出斜柱根部水平分力与柱墙剪力和非常接近,基本平衡,这与理论分析的结果相符。由于本工程实际构件并非刚性杆,受力形式接近于竖向悬臂桁架结构,通过Midas Gen对斜柱层分析,以5～8层为例,计算显示,5层斜柱的水平分力为拉力,主要通过5层的梁传至核心筒,占总水平分量的2/3左右;8层斜柱的水平分力为压力,主要通过8层及上下相邻层的梁传至核心筒;5～8层框架柱也承担了部分水平分力,该部分水平分力转化为框架柱剪力,约占总水平分力的1/3;其余水平分力通过相邻层框架梁和连梁等水平构件以轴向力和弯矩形式转换到剪力墙和框架柱。
3.3 附加剪力下的剪力墙斜截面承载力验算
由于SATWE计算剪力墙剪力时忽略了斜柱层水平力对剪力墙剪力的影响,因此本工程采用空间结构设计软件Midas gen复核核心筒剪力墙的抗剪承载力,其中核心筒示意图如图5所示,表2和表3分别表示5层以及8层的芯筒外墙剪力统计,得出了重力荷载附加剪力的比例。通过附加剪力及相应附加弯矩下的内力计算,校核剪力墙在最不利工况下的承载力大小,如表4所示(仅举例附加剪力下的5层核心筒外墙内力统计)。
图5 核心筒布置图
Fig.5 Plan of shear walls
表2 5层芯筒外墙剪力统计
Table 2 Statistics of shear forces in external shear walls of 5th floor
墙肢编号恒载/kN活载/kN中震/kN中震弹性1．2×(恒+0．5×活)+1．3×中震重力荷载附加剪力比例WY?11187264535840．04WY?211833539358137970．12WY?313917532771020．03WY?435867275640530．12WY?510137227531010．05WY?6144545211473169200．12WY?7598162667094860．09WY?811331245733480．05
表3 八层芯筒外墙剪力统计
Table 3 Statistics of shear forces in external shear walls of 8th floor
墙肢编号恒载/kN活载/kN中震/kN中震弹性1．2×(恒+0．5×活)+1．3×中震重力荷载附加剪力比例WY?1652203384559030．15WY?21793540547295890．26WY?31228395415571120．24WY?41513489381570690．30WY?5280109295642440．10WY?621256486715116680．25WY?71773514513291080．27WY?81248411313158150．30
表4 附加剪力下五层芯筒外墙内力统计
Table 4Statistics of internal forces in external shear walls of 5th floor under additional shear force
墙号N/kNW/kNV/kNNmax+MmaxNmin+MmaxNmax+MmaxNmin+MmaxNmax+MmaxNmin+MmaxWY?191635-1962215276-126423585-3292WY?299712-529447017-3882013797-10534WY?379531-1294822166-194557102-6749WY?495727-1479118496-89744053-3113WY?589470-1635017925-129743102-2814WY?698956-559055548-4413916920-12910WY?776371-1161928213-233509486-7858WY?895125-1669617324-119723347-3040
3.4 楼面水平斜撑内力
选取重力组合工况下和中震组合工况下5层楼面水平斜撑内力(不考虑组合楼板的作用),见图6、图7。内力单位为kN。
图6 重力组合作用下5层楼面梁内力图(单位:kN)
Fig.6 Internal force diagram of beams in 5th floor under combined action of gravity (Unit:kN)
图7 中震组合作用下5层楼面梁内力图(单位:kN)
Fig.7 Internal force diagram of beams in 5th floor under combined action of medium earthquakes (Unit:kN)
当考虑楼板作用时,楼板水平斜撑的内力下降很多,所以水平斜撑按照不考虑楼板作用的工况设计,显得较为安全。
上节介绍了不对称斜柱结构的受力分析,由于斜柱层连接斜柱与核心筒的框架梁承担着较大的斜柱轴力的水平分力(拉力及压力),因此通过设置水平钢斜梁来分担水平力,提高楼面水平向抗侧刚度;同时在核心筒中埋设型钢与框架梁连接(传递轴力为主),用以平衡水平力。则措施具体介绍如下:
(1) 框架梁布置时尽量形成带平面斜撑的平面桁架,以提高楼面水平刚度。
(2) 加大外围框架梁(平面桁架的弦杆)截面。
(3) 斜柱层起始层:受压楼层选取板厚为160 mm钢筋桁架楼盖;受拉楼层选取板厚为180 mm钢筋桁架楼盖。斜柱层起始层相邻上下各一层:选取板厚为140 mm钢筋桁架楼盖;并根据楼板应力分析针对性加强楼板配筋。
(4) 核心筒翼墙及其内置预埋的型钢;核心筒腹墙及其内置预埋的型钢。
图8 斜柱层楼面结构体系
Fig.8 Structural system of floor with inclined columns
根据《建筑抗震设计规范》[3]要求,对于框架-剪力墙结构和框架-核心筒结构,任一层框架部分承担的剪力值,不应小于结构底部总地震剪力的20%和结构体系中框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。
SATWE计算斜柱刚度时,当斜柱与竖轴的角度小于20度时,则按柱子考虑。当进行地震剪力计算时,SATWE计算斜柱底下产生的剪力包括两部分:一是按照侧向刚度分配产生的地震剪力;二是由于地震所产生斜柱轴力的水平分量。这样当斜柱外斜时,斜柱分担的剪力为V2- Vc,剪力偏小而放大地震倍数;当斜柱内收时,斜柱分担的剪力为V2+ Vc,剪力偏大而减少地震倍数,如图9所示。
图9 斜柱层地震下楼层剪力示意图
Fig.9 Sketch of shear forces in floor with inclined columns
笔者认为,当计算0.2Q0剪力调整时,不应考虑斜柱轴力的水平分量,应从楼层抗侧构件的刚度出发,进行框架部分地震力的剪力调整;且复核核心筒产生的附加剪力从而考虑轴力分量产生的水平力,这部分内容上节已介绍。因此,在计算斜柱外斜的楼层时,应补充轴力产生的水平分量;在计算斜柱内收的楼层时,应扣除轴力产生的水平分量,如图10和图11所示。
图10 Y方向0.2Q0剪力曲线
Fig.10 0.2Q0 shear adjustment in Y direction
图11 Y方向外框柱剪力/总剪力
Fig.11 Shear forces of external frame columns to total shear forces in Y direction
图12 中震和大震作用下两个节点的应力云图
Fig.12 Stress contour plot of two connections under medium and major earthquakes
斜柱层处楼面钢斜梁与核心筒内置型钢连接处的节点受力较复杂,需使得钢构件在剪力墙中充分锚固,保证节点在不利工况下不发生破坏[4]。本项目选取受力较大楼层的关键节点,采用ABAQUS有限元软件进行受力分析。建模方法:所有单元均采用实体单元建模,网格划分较精细;考虑型钢混凝土墙体中混凝土部分,钢柱以及钢梁的约束端位置定为离节点边缘3倍截面高度的地方;同时在钢柱和钢梁的端点处施加荷载;混凝土本构采用混凝土损伤塑性模型(图14),钢材本构采用强化的两折线模型(图15)。图12所示应力云图呈现出5层楼面层处水平钢斜梁与核心筒连接节点,在重力荷载和中震组合工况下(简称“中震工况”)以及重力荷载和大震荷载组合工况下(简称“大震工况”)的承载力大小,其中图13描述该研究节点的所在位置。
分析结果表明:两种工况下此楼层处的节点均能够满足承载力极限状态要求。对于节点一,中震工况和大震工况作用下,节点应力最大处分别为201 MPa及292 MPa,整个节点域没有达到屈服状态; 对于节点二,中震工况和大震工况作用下,节点应力最大处分别为251 MPa及346 MPa,可见大震工况下连接板与梁翼缘连接处局部出现屈服。因此可见节点一的抗震性能较强,而节点二连接板处需适当增加连接板厚度,或者采取局部加强措施,从而保证节点域在大震下不发生屈服。综上所述,此连接节点的设计形式符合抗震性能设计要求,具有良好的传力和受力特性。
图13 5层楼面结构三维图
Fig.13 Three-dimensional view of 5th floor
图14 混凝土材料本构模型
Fig.14 Constitutive model of concrete
图15 钢材材料本构模型
Fig.15 Constitutive model of steel
对于不对称斜柱的框架核心筒结构,需要考虑由于斜柱轴力产生的水平分力导致核心筒的附加剪力以及附加弯矩;同时通过增设水平钢斜梁以及墙内埋置型钢等措施增强结构的抗侧力,从而平衡斜柱产生的水平力;其次需调整斜柱层的0.2Q0剪力系数,避免楼层地震力分配发生突变情况;最后深化斜柱层处钢斜梁与核心筒内置型钢连接处的节点设计,保证节点处水平力的可靠传递。基于以上四个方面,能够更好地完成带有不对称斜柱形式的框架-核心筒的结构设计。本文所介绍的关于不对称斜柱设计的分析以及采取的措施,希望能给类似的项目提供有意义的参考。
参考文献：
[1] 李风河.斜柱在高层建筑中的应用[J].平顶山工学院学报,2008,17(5) :59-61.
Li Fenghe.Application of inclined column in high-rise structure [J].Journal of Pingdingshan Institute of Technology,2008,17(5):59-61.(in Chinese)
[2] 张雪峰,吴申申,袁兴方.昆山研祥国际金融中心超高层结构设计[J].结构工程师,2016,32(5):27-35.
Zhang Xuefeng,Wu Shenshen,Yuan Xingfang.Structural design of Kunshan Yanxiang international financial center[J].Structral Engineering,2016,32(5):27-35.(in Chinese)
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings [S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)
[4] 徐忠根,程定荣,邓长根.钢框架柱外传力节点试验与有限元分析[J].建筑结构,2013,43(9):62-65.
Xu Zhonggen,Cheng Dingrong,Deng Changgen.With the finite element stress analysis of steel frame column outside the test node [J].Journal of Building Structures,2013,43(9):62-65.(in Chinese)
Analysis and Design of Asymmetric Inclined Columns in Steel Frame-core Tube Structures
WU Shenshen 1,2,* ZHANG Xuefeng2 YUAN Xingfang2
(1.College of Civil Engineering Tongji University, Shanghai 200092, China;2.East China Architectural Design & Research Institute, Shanghai 200002, China)
Abstract：It is more complicated to design asymmetric inclined columns compared with that of symmetric ones. In this study,structural analysis of a steel frame-core tube structure is conducted to illustrate the design method.Structural measures and a method termed 0.2Q0 shear force adjustment method are presented for floors with the inclined columns.Connections between the horizental inclined steel beams and the embedded profile steel columns of the core tube are analyzed using ABAQUS,and the reliability of the connection design is verified,which is expected to be referenced for other similar projects in future.
Keywords：asymmetry, inclined column, joint design
收稿日期：2016-03-24
*联系作者， Email:wushenshenjimmy@126.com
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