高成結構 ||多筒體支承的大跨空間結構筒體協同效應解析

2021-01-19 騰訊網

多筒體支承的大跨空間結構

筒體協同效應解析

近年來有很多建築師在做方案時要求整個建築底層架空，柱不落地，只保留核心筒落地，形成底部大空間，達到高綠化、完全通透、底部公共屬性的建築效果。這樣的項目有萬科大梅沙總部大廈、廣東省新博物館、前海法制大廈、海口科技館等項目。這類項目的特點：

核心筒剪力牆不僅承擔全部水平力，還承擔了全部的重力荷載;

筒體間距較遠，一般達30~60m；

上部結構有較大懸挑；

顯然，核心筒作用極其重要。但是抵抗水平力是靠單個筒體的疊加，還是靠整體結構的空間協同作用？此類結構的抗震性能如何？未見有此方面的論述。近期，本人參與了深圳簡上體育綜合體項目，對此有些體會，以供參考。深圳簡上體育綜合體項目整個結構支承在6個鋼筋混凝土核心筒上，詳見下圖1、2。

圖1現場施工圖

圖2 建築剖面圖

1結構體系

結構體系採用多筒體支承的大跨空間桁架結構。核心筒間最大淨跨46.8m，5層及屋面層西側、北側最大懸挑長度19.5m。2層及以下為鋼筋混凝土結構，柱網11.7m×7.8m，3層及以上豎向構件為6個鋼筋混凝土核心筒，核心筒的尺寸為7.8m×7.8m及7.8m×15.6m，核心筒外牆厚600mm，混凝土強度等級C50。為確保核心筒完整性，設置250mm厚內隔牆。樓蓋採用雙向正交桁架，3~5層桁架高度為2.9，3.3m，屋面桁架高2m，4，5層核心筒間存在部分夾層，夾層部分桁架高9.3m。大懸挑處採用整層高的桁架，桁架高15.3m。桁架杆件採用箱形截面口350×500×35，口350×350×14，口250×250×12等，鋼材牌號Q420GJC，Q345B。樓板採用鋼筋桁架樓承板，板厚120mm。

圖3 結構抗側體系構成

圖4 3層結構平面圖

筒體4個角部及支承桁架的牆體內設型鋼，桁架杆件與核心筒內型鋼剛性連接，以確保傳力直接，增加結構延性。圖4為3層結構平面層，圖5典型主桁架剖面圖。

(a) 5軸結構剖面圖

(b) 6軸結構剖面圖

（c) 11軸結構剖面圖

(d) 12軸結構剖面圖

(e)14軸結構剖面圖

(f) 15軸結構剖面圖

(g)F軸結構剖面圖

(h)G軸結構剖面圖

(i)L軸結構剖面圖

(j)M軸結構剖面圖

圖5結構典型剖面圖

本工程1,2層有較大開洞；5層整體收進，核心筒由6個收為4個；地下1層籃球館、遊泳館層高較高，此位置框架柱兩層通高；5層及屋面主體結構存在大於15m的懸挑，屬抗震超限結構。

2筒體協同效應分析

若筒體間的主桁架與核心筒採用上承式或下承式桁架，整個結構類似排架結構，在水平力作用下，各個筒體產生傾覆彎矩；若筒體間的主桁架兩端與核心筒採用剛接連接，整個結構類似框架結構，那麼在水平力作用下，水平力產生的傾覆彎矩將一部分由筒體產生的軸力來抵抗，一部分由筒體自身的傾覆彎矩承擔，主桁架能夠起到很好的協調各筒體的作用，如下圖6、7示意，

圖6 圖7

為論證本結構中六個核心筒間的協同工作效應，採用模型1和模型2對比分析筒體協同效應。模型1為結構計算模型，與核心筒相連接的主桁架上下弦杆與筒體剪力牆剛接，桁架腹杆與弦杆鉸接。模型2在模型1的基礎上，將與核心筒相連接的主桁架根部下弦杆去除，形成上弦支承桁架，詳見圖8。

圖8模型1，2構成示意

在模型1和模型2相同樓層位置施加相同的等效地震水平力，不考慮樓板的平面內剛度，對比兩個模型各筒體底部的內力以及筒體的節點位移，計算結果見圖9和表1。

(a)X向

(b)Y向

圖9 水平力作用下模型1和模型2的筒體節點位移曲線

由圖9可知，在相同的X向水平力作用下，模型1最大頂點位移為20.7mm，模型2最大頂點位移為26.0mm，模型2比模型1的頂點位移增大了25.6%；在Y向水平力作用下模型1最大頂點位移為15.0mm，模型2最大頂點位移為26.8mm，模型2比模型1的頂點位移增大了78.7%。兩個模型下各筒體的基底內力結果見表1，筒體編號詳見圖4。

表1筒體內力計算結果

由表1可知：模型1、模型2中筒體在X，Y向的水平剪力變化較小，模型2中筒體的軸力較模型1大幅減小，除筒二在X向、筒三在Y向軸力減少較小外，整體筒體軸力約減小85%，模型2底部彎矩比模型1底部彎矩大，X向底部彎矩最大增長約28%，Y向底部彎矩最大增長約42%。在水平力作用下，模型1中某一主軸上筒體間主桁架的軸力結果見圖10。

圖10 模型1中筒體間主桁架杆件軸力示意圖

從圖10可知，核心筒間主桁架上弦杆件軸力在左右兩側正好相反，一端為拉力，一端為壓力，下弦杆正好與上弦杆相反，上弦杆軸力為拉力時，下弦杆軸力為壓力，符合框架結構中框架梁在水平力作用下的受力特點。因此，本結構中核心筒間主桁架對協調核心筒內力起到較大的作用。

由上述計算結果可知，6個核心筒在核心筒間主桁架的作用下能夠很好的協同工作，形成整體結構的抗側體系。

3如何判別協同作用？

採用係數β判別協同作用的大小，

4進一步思考：抗震設計時如何實現更好的耗能及增加結構延性？

4.1設計時為確保結構延性，參考高規第6.2.1，6.2.3條關於柱內力的調整的原則，對核心筒彎矩及剪力分別乘以彎矩放大係數1.2，剪力放大係數1.3,以實現強筒體弱桁架的設計原則。

4.2與核心筒相連接的主桁架根部下弦杆採用屈曲約束支撐（BRB）。剪力牆內設有較多型鋼，延性較高。由於桁架上下弦杆與核心筒鉸接，如果核心筒相連接的主桁架根部下弦杆去除，採用屈曲約束支撐（BRB）代替，可以增加結構的耗能能力。中大震作用下，BRB利用低屈服點芯材在軸向拉壓力下的塑性變形來增加結構的延性及耗能能力。

4.3由於層高較高，核心筒採用雙連梁或布置斜向暗柱。

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