强层的框架核心筒结构抗震性能研究

西南交通大学硕士学位论文带加强层的框架-核心筒结构抗震性能研究姓名：陶兵申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：彭伟20071201西南交通大学硕士研究生论文第1页摘要高层建筑随着高度的增加，水平作用的影响也相对增大，侧向位移也迅速增加。因此控制高层建筑在风荷载和地震荷载作用下的侧向变形成为高层建筑中研究的重要课题之～。近年来，一些专家学者提出在框架一核心筒中利用水平加强层结构(即在外框架柱和内筒体之间设置刚度较大的水平伸臂构件)加强内简体和外框架柱的共同作用，控制其侧移变形。水平加强层的设置对风荷载和地震荷载下的侧移都起到了很好的控制作用，但是，在地震作用下，设置水平加强层会引起刚度、内力突变，容易形成薄弱层，使结构的损坏机制难以呈现延性屈服机制。本文根据B．S．Smith的加强层最佳位置设置理论，采用大型通用有限元软件ETABS，对框架一核心筒结构按照不同的水平加强层设置方案，建立有限元分析模型。然后采用振型反应谱法对不同结构进行水平地震动力分析，比较和总结了不同水平加强层设置方案下，结构的周期、位移、构件内力的地震响应；并在抗震分析的基础上，总结了水平加强层减小结构侧移，提高结构抗侧剐度的机理；为此类结构的抗震设计提供了一定的参考建议。本文利用大型有限元软件MIDAS，对带水平加强层的框架一核心筒结构进行了静力弹塑性分析，得到了罕遇地震作用下结构塑性铰出现的部位和顺序，提出水平加强层可能使其相邻层产生薄弱层的规律，以便加强结构薄弱环节的构造配筋，以提高结构的抗震能力。关键词：高层建筑：加强层；框架一核心筒结构；静力弹塑性分析西南交通大学硕士研究生论文第fI页AbstractWitlltheheightincreasingofhigh-risebuilding．impactonhorizontalloadincreasescorrespondingly,andlateraldisplacementincreasesquickly．Hence，conlToloverlateraldeformationofhigh-risebuildingundertheactionofwindloadandseismicloadbecomesanimportantsubjectofresearchonhigh-risebuilding．Inresentyears，InreCentyears，someexpertshaveproposedthatthehorizontalstrengthenedstoreystructllreshouldbeadoptedinstrengtheningthecooperativeworkbetweentubestructureandthecolumnsintheperipherallayertocontrollateraldistortion,namely,toputhorizontalcantileverwithhardquantitybetweenthetubeandtheflame．orsoteircumjacentgone谢血hardqualityalongthepcr．i．'pheralframe,whichisthemostcommonlyusedstruoturalsystemofframe-concretewallstructure诵也horizontalstrengthenedstorey．ItisaneffeCtivewaytostopthestructureside-movingagainsttheinfluenceofwindbysettingthehorizontalstrengthenedstorey．Whencometotheinfluenceofearthquake．Thisdesignwillcausethesuddenchangeinthequalityandinternalforceofthestructureandthusformsaweaklayerwhichwillmakeitdi伍cultfortheyieldmechanismofthestructuretoCaH'youtitsextendingbendingsystem．BaseduponB．S。Smith'stheoryofoptimalsettingpositionofstrengthenedstory,thelarge．scalecomlnonfiniteelementsoftwareETABSisusedinthispapertoestablishfiniteelementanalysismodelaccordingtOsettingschemeofframe—tubesnllcnlrewithdifferenthorizontalstrengthenedstory．Then,responsespectrummethodisadoptedtoanalyzehorizontalseismicpowerfordiff盯entstructures，andacomparenandsummarizeseismicresponseofperiod，displacementandcomponentinternalforceofst九lc嘶withdifferenthorizontalstrengthenedstory,summarizemechan／csofreductionoflateraldisplacementandimprovementoflateralresistanceandstiffmessofstructureonthebasisofseismicanalysis，andprovidesomerecommendationsforseismicdesignforthesimilarstructureforreference．Thelarge—scalecommonfirfiteelementsoftwareMIDASisusedinfltispapertoCaITyoutstaticpushoveranalysisoffzame-tubestructure州tllhorizontalstrengthenedstory,obtainoccllrrcncepositionandsequenceofstructuralplastic西南交通大学硕士研究生论文第1II页hingeundertheactionofrareearthquake，putforwardregulationofgenerationofweakstoryofadjacentstorybyhorizontalstrengthenedstorytostrengthenstructuralreinforcementofweakpartofthestructuretoimproveseismiccapabilityofthestmcture．Keywords：high-risebuilding；蜘gIhenedstory；‰e-corestnlcture；staticpushoveranalysis西南交通大学硕士研究生论文第1页第一章绪论1．1课题背景近20多年来，高层建筑发展迅速，如雨后春笋林立于世界各地，具有强大的生命力。它突出的优点是有效地利用空间资源，占地面积小，可缓解大城市的住房困难、交通拥挤和用地紧张等问题。对于高层建筑而言，随着高度的增加，水平作用的影响也相对增大，侧向位移也迅速增加。因此，提高结构抗侧刚度和抗水平推力的能力，有效的利用建筑面积，成为高层建筑中迫切需要解决的重要课题。根据多年来国内外的实践经验，高层办公楼将竖向交通，卫生间、管道系统以及其它服务性用房，集中布置在楼层平面的核心部位，将办公用房等布置在外围可以在多方面取得良好的效果，与长廊式平面布置方案比较，其具有使用面积率高、建筑外墙较短、消防安全疏散距离较易保证等优越性。此外，高层旅馆和高层公寓在楼层平面布置上也积极采用了这种核心式布置方案，钢筋混凝土简体体系已成为高层宾馆、办公楼等建筑最常用的结构体系之一。目前常见的简体体系有两种类型，一种是由芯筒和外框简组成的筒中简体系，另一种是由芯筒和外框架组成的框架核心筒体系。由于外框筒需要由密柱和深梁组成，有时不能符合建筑立面处理和景观视线的要求。由稀柱、浅梁组成的外框架能够给予建筑创作较多的选择和自由，并给楼面使用带来方便，所以在一定高度范围内框架核心筒体系比筒中简体系更受欢迎，应用范围更广泛。然而，框架核心简体系存在着抗侧能力较小的弱点。因此，研究提高框架核心筒体系抗侧刚度的措施，减小水平荷载作用下芯筒的弯矩和变形，以扩大其应用领域，具有重要的应用价值。在建筑设备层或避难层设置刚度较大的从核心简体外伸的斜腹杆桁架、直腹杆空腹桁架、实体梁等(上述构件简称刚臂)及周边刚度较大的水平环带构件，加强核心简体和周边框架柱连接，进一步更有效地发挥周边框架柱的轴向刚度作用，使之吸收更多的水平荷载所产生的倾覆弯矩，从而达到进一步有效地提高结构的整体抗侧刚度，这样既满足建筑平面功能的要求，又能满足结构的位移、强度、稳定、延性的要求．这时设备层或避难层同时又成为结构的刚性加强层，整个高层建筑结构称作带刚性加强层的高层建筑结构。随着带水平加强层的框架一核心筒结构在实际工程中的大量应用，对这种西南交通大学硕士研究生论文第2页结构体系的设计和受力分析的研究也日显重要，这就是本论文主要的研究内容。1．2带加强层的框架一核心筒结构的优缺点及应用1．2．1优点(1)可明显改善结构受力状态，有效减少结构侧移，增大结构抗侧刚度；(2)利用技术层或避难层设置水平加强层(如水平支承大梁、空腹桁架式、梁式、板式、箱形结构转换层等)，可较好解决建筑底部或其他层次需要开设大空间造成结构上下层形式不同和结构布置上的矛盾，从而满足建筑功能需求；(3)从经济角度看，在满足使用功能和规范要求的前提下，减小了剪力墙、筒体和柱等竖向构件的截面尺寸，增加了使用面积，有利于建筑使用：并且由于减小了剪力墙、简体和柱等竖向构件的截面尺寸，与不设水平加强层的相应结构相比，可节约混凝土12％左右；’可见，设置水平加强层是减小高层建筑结构侧移，提高其抗侧刚度的一种既有效又经济的方法。1．2．2缺点带加强层框架一核心筒结构也有其缺点。加强层的存在使结构刚度沿竖向发生突变，结构的核心筒和外围框架的变形协调集中在加强层处，这就导致在重力和水平荷载作用下，加强层上下附近几层的内力发生突变，结构地震反应复杂，在地震作用下容易出现薄弱层，而且直到目前为止国内外缺乏此类结构的震害资料。因此带加强层框架一核心筒结构在地震区采用时应采取何种有效构造措施，应进行系统的分析研究。1．2．3工程实例加强层在国内首先用于高层钢结构，以提高其抗侧刚度和内支撑框架的受力状况。近几年来，加强层也开始用于高层钢筋混凝土结构，并日趋广泛。工程实例列举见表1—1。由于设置了加强层，增强了筒体与外框架之间的共同作用，在水平荷载作用下，内弯矩显著降低，结构抗侧刚度增大，顶点位移和层间位移减少。据对己建工程分析，高层、超高层建筑合理设置加强层，与不设加强层相比．顶点位移可降10—32％，效果显著；如上海金陵联合办公大楼(37层，140米高)在20层与35层设置加强层以后，与不设加强层相比较，节省混凝土600m3，减轻自西南交通大学硕士研究生论文第3页重1500吨，节约投资50多万元。表1—1高层建筑加强层实际工程应用序结构层总高加强加强号工程名称材料层层类型体系数(m)数量位置上海金陵大钢筋20l框筒371402梁式厦混凝土35深圳商业中钢筋272框筒52167．252梁式心大厦‘混凝土49香港交易广钢筋213框简51182．52梁式场大厦混凝土31上海锦江饭234钢结构筒中筒441542桁架店“北京国际大钢筋135筒中筒41153．3326粱式厦混凝土37福州福星大钢筋6框篱3099．916梁式厦混凝土1．3