高层与超高层框架芯筒结构中刚性加强层的布置对侧移控制作用的研究

第14卷　第4期应用力学学报V o l.14　N o.4 1997年12月CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN I CS D ec.1997高层与超高层框架——芯筒结构中刚性加强层的布置对侧移控制作用的研究Ξ梅占馨　冯仲齐(西安建筑科技大学建筑工程系　西安　710055)摘 要采用文献[1]构造的有旋转自由度的平台单元,建立起有刚性加强层的框架—芯筒结构计算模型,对刚性加强层在高层建筑结构控制侧移方面的作用进行较精确的数值分析,计算结果可供高层建筑结构设计工作者参考。

关键词:高层与超高层结构;刚性加强层;框架—芯筒结构;侧移控制1　引　言用刚性加强层控制高层与超高层框架—芯筒结构在水平荷载作用下的侧移,近年来在国内外受到广泛关注。

众所周知,高层与超高层框架—芯筒结构在适当的位置增加水平结构的刚度,可以加强芯筒与外柱之间的共同作用,从而减小结构侧移。

以往关于这类结构的计算一般将芯筒简化为悬臂梁,外柱简化为拉杆,并假定加强层的弯曲刚度无限大[2,3]。

这种简化模型显然与工程实际情况有较大差距,本文对此作出改进。

2　计算模型框架—芯筒结构中芯筒为主要抗侧力构件,本文将其简化为一片剪力墙,框架梁与外柱和剪力墙刚接;钢性加强层则简化为在该层中增设与外柱和剪力墙刚接的斜杆,如图1所示。

本文采用有限单元法对图1所示结构在水平荷载作用下结构整体侧移和层间侧移进行分析。

单元按以下方式划分,剪力墙在每层之间划分为一个平面单元,框架梁和柱各划分为一个杆单元。

平面单元采用文献[1]构造的有旋转自由度的高精度平面单元。

该单元与具有三次位移模式的平面等参元具有相同的单元特征及精度,同时具有连续介质力学中关于旋转度的定义。

使用该单元既提高了数值分析的精度,同时又满足了框—墙结构分析中平面单元和杆单元连接结点的自由度协调。

Ξ冶金部有偿与资助基础理论研究基金项目来稿日期:1996212224图1　计算模型3　数值分析本文以24层和48层的框架—芯筒结构为例,对水平荷载作用下结构的不同部位设置加强层后结构的整体侧移和层间侧移进行计算,数值结果绘成楼层—整体侧移曲线(a )和楼层—层间侧移曲线(b ),见图2～图10。

以铅垂坐标表示楼层,水平坐标表示侧移。

侧移均以无量纲形式表示:在计算整体侧移时,用未设加强层时结构的最大侧移值去除计算的侧移值;在计算层间侧移时,用未设加强层时的最大层间侧移去除计算的层间侧移值。

鉴于刚性加强层一般结合技术层设置,加强层的层高取标准层高的018倍,而底层则取标准层的112倍。

此外,在计算过程中,考虑外柱刚度随楼高而变化(按每6层柱宽减少100mm 计算),对48层结构同时考虑芯筒刚度随楼高而变化(按24层以上芯筒刚度减少1 6计算)。

图2绘出了24层建筑未设置加强层和设置一道(24层)、二道(24层和12层)、三道(24层、16层和8层)、四道(24层、18层、12层和6层)加强层,即建筑每隔24层、12层、8层和6层设置一道加强层时的侧移曲线,图3绘出了48层建筑未设置加强层和设置二道、四道、六道、八道加强层,亦即建筑每隔24层、12层、8层和6层设置一道加强层时的侧移曲线。

从图中可以看出,设置刚性加强层后结构的整体侧移和层间侧移都有明显减小;加强层的数量越多,侧移越小,但随着加强层数量的增加,加强层控制侧移作用在逐渐减弱,尤其对层间侧移作用减弱。

图4和图5分别绘出24层和48层在仅设置一道刚性加强层的前提下,将加强层设置在结构顶部(24层或48层)、上部(18层或36层)、中部(12层或24层)和下部(6层或12层)时结构侧移曲线的比较。

可以看出,从控制结构的最大侧移出发,一道加强层设置在结构中部或下部为好;但若在控制结构最大侧移的同时还要考虑控制层间侧移,则一道加强层应该设置在结构中部。

图6和图7绘出了结构设置两道加强层的情况,三条曲线分别表示两道加强层设置在结构的顶部和中部、顶部和下部以及上部和下部时的侧移曲线,顶部、上部、中部和下部的定义同一道加强层的情况。

当结构设置两道刚性加强层时,其位置以设置在结构上部和下部为好。

图2　侧移曲线的比较(24层)　1未设刚性层　2一道刚　图4　一道加强层时的侧移曲线(24层)　1顶部设刚性层性层　3二道刚性层　4三道刚性层　5四道刚性层2上部设刚性层　3中部设刚层　4下部设刚性层931第4期高层与超高层框架——芯筒结构中刚性加强层的布置对侧移控制作用的研究图3　侧移曲线的比较(48层)　1未设刚性层　2三道 图5　一道加强层时的侧移曲线(48层)　1顶部设刚性层刚性层　3四道刚性层　4六道刚性层　5八道刚性层2上部设刚性层　3中部设刚层　4下部设刚性层图6　两道加强层时的侧移曲线(24层)　1顶部、中部设 图8　加强层刚度变化的影响刚性层　2顶部、下部设刚性层　3上部、下部设刚性层图7　两道加强层时的侧移曲线(48层)　1顶部、中部设 图9　外柱刚度变化的影响刚性层　2顶部、下部设刚性层　3上部、下部设刚性层041应用力学学报第14卷 增加加强层的刚度对控制结构侧移的作用并不十分明显。

图8绘出了24层建筑在24层、16层和8层设置三道加强层时加强层刚度不同对侧移曲线的影响。

三条曲线分别表示加强层斜杆与外柱抗弯刚度之比为14,1和4时的情况。

然而,增加外柱刚度对加强层控制结构侧移的作用明显有利。

图9绘出了具有三道加强层的24层建筑当外柱刚度变化时侧移曲线的比较。

三条曲线分别表示了结构芯筒与外柱抗弯刚度之图10　均布荷载与倒三角形荷载的比较比为20、50和100时的情况。

图2～图9的数值计算过程中,水平荷载均为侧向均布荷载;当水平荷载为侧向倒三角形分布荷载时,根据计算结果绘制的侧移曲线没有明显改变。

图10绘出了24层建筑未设加强层和设有三道加强层,水平荷载为侧向均布荷载(实线)或侧向倒三角形分布荷载(虚线)时侧移曲线的比较。

可以看出,两种荷载作用下加强层的作用大体相当;从控制结构层间侧移的角度出发,在侧向均布荷载作用下加强层的控制作用稍好一些。

4　结　论高层与超高层建筑框架—芯筒结构设置了刚性加强层后,在水平荷载作用下结构的整体侧移和层间侧移都会明显减小;在每隔10层左右设置一道加强层的情况下,结构的最大侧移能够减少一半左右。

加强层的数量持续增加,对结构侧移的控制作用不能持续增加;但由于加强层一般只能结合技术层而设置,因此在实际工程设计中可以不考虑加强层是否数量太多的情况。

当建筑仅设置一道刚性加强层时,以设置在建筑的中部为最佳,下部为其次,当建筑设置两道刚性加强层时,以设置在建筑的上部和下部为最佳,顶部和中部或顶部和下部大体相当。

增加加强层的刚度对增强其控制侧移的作用并不十分理想;而增加外柱的刚度却能使加强层控制侧移的作用更显著。

参考文献1　冯仲齐,梅占馨1框架—剪力墙结构分析的高精度平面单元1应用力学学报(已录用)2　余安东1用水平加强层控制高层建筑结构的侧移1建筑结构学报,1988,9(6):302383　赵西安1钢筋混凝土高层建筑结构设计,北京:中国建筑工业出版社,1992141第4期高层与超高层框架——芯筒结构中刚性加强层的布置对侧移控制作用的研究AbstractIn th is p ap er ,the p rob lem fo r a fin ite elastic rod i m p acts an elastic p late on W ink ler θs foundati on is studied .B y the u se of the Galerk in θs p rinci p le ,the app rox i m ate fo rm u la of the i m p act fo rce and the disp lacem en t respon se of the p late have been ob tained .T he resu lt is dis 2cu ssed and the related conclu si on is given .Keywords :W ink ler θs f ound a tion ,elastic p la te ,i m p act ,Ga lerk in θs p rincip le .A New Si m plif ied Form for Slightly Com pressible M ethodof R ig id -plastic FE MH ung Guoj ian B a i Guang run(N o rtheastern U niversity ,Shenyang 110006)AbstractB ased on the com p licated m atrix fo rm of the effective strain 2rate Εγex isting in sligh tlycom p ressib le m ethod of rigid 2p lastic FE M ,w e si m p lified the m atrix exp ressi on of Εγ by u singm atrix calcu lating m ethod and recomm ended the co rresponding calcu lating fo rm u lae fo r the new si m p lified sligh tly com p ressib le m ethod of rigid 2p lastic FE M by app lying the variati onal p rinci p le of rigid 2p lastic sligh tly com p ressib le m aterial in th is p ap er .Com p ared w ith the cal 2cu lating fo rm u lae fo r the sligh tly com p ressib le m ethod of rigid 2p lastic FE M ,the new si m p li 2fied calcu lating fo rm has app aren t advan tages of the si m p le globe stiffness m atrix equati on s ,si m p le to calcu late and easy to p rogramm ing .Keywords :slig h tly co m p ressible m a teria l ,rig id 2p lastic ,f in ite ele m en t m ethod .Study on Lateral D isplacem en t Con trolli ngof Fram e -tube Structures w ith Stiff Stor iesM ei Z hanx in F eng Z hong qi(D ep t .of Cons .Eng .,X i θan U niv .of A rch .&T ech .　710055)AbstractB ased on the p lane elem en t w ith ro tati onal degree of freedom[1],an analytic m odel fo r fram e 2tube bu ildings w ith stiff sto ries is p resen ted and is u sed fo r tall bu ildings to analyse the effect of lateral disp lacem en t con tro lled by stiff sto ries.Keywords :ta ll bu ild ing s ,stif f stories ,f ram e 2tube structu res ,la tera l d isp lace m en t con trol 2ling .N o .4CH I N ESE JOU RNAL O F A PPL IED M ECHAN I CS。