聊聊近来最受欢迎的斜交网格结构体系
小智审图2020-09-23

超高层建筑按抗侧体系,一般常见的结构体系有:剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构及巨型结构。而近年来,一种较为新颖的结构体系,斜交网格筒体结构越来越受到欢迎,国内外近年来也建成了多个斜交网格结构的超高层建筑。

作为外框(筒)-核心筒结构的一种升级,为何斜交网格结构受到结构工程设计大牛的欢迎呢?

在聊聊斜交网格结构之前,我们先复习下规范中对高层抗震中地震剪力分配的一些要求,也许能说明些问题。

No.1 地震剪力的规范要求

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.2.5条及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第4.3.12条:

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规范条文解释:

由于地震影响系数在长周期段下降较快,对于基本周期大于3.5S的结构,由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构,地震动态作用的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的影响,但规范采用的振型分解反应谱法只反映加速度对结构的影响,对长周期的结构不全面,出于结构安全的考虑,当计算的楼层剪力过小时,提出了对结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求,当不满足时,需改变结构布置或调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求。

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看来规范对地震剪力的要求,控制剪重比,要求整个结构承担足够的地震作用,剪重比与地震影响系数的内在联系是:λ=0.2αmax。这对于单位重量极大的超高层建筑来说就已经是严格的要求了。但还没完。。。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010,第9.1.11条,抗震设计时,筒体结构的框架部分按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值应符合下列规定:
当框架部分分配的地震剪力标准值的最大值小于结构底部总地震剪力标准值的10%时,各层框架部分承担的地震剪力标准值应增大到结构底部总地震剪力标准值的15%;此时,各层核心筒墙体的地震剪力标准值宜乘以增大系数1.1,但可不大于结构底部总地震剪力标准值,墙体的抗震构造措施应按抗震等级提高一级后采用,已为特一级的可不再提高。

规范条文解释:框筒结构是外周框架与核心筒协同工作的双重抗侧力结构体系。实际工程设计中,常出现外周框架刚度过低,核心筒刚度过高,结构底部剪力主要由核心筒承担的情况。这种情况遇到强震时,核心筒墙体如果损伤严重,外周框架将会承担较大地震作用。

二道防线思想!!!

从上面这二条规范来看,第一,超高层长周期的动力特性下,各层的地震剪力基本规范给出了最小值。第二,外框部分的占比又有一个最小限制要求。嘿嘿,这二点要求设定好,框筒结构的外框的地震剪力看来是小不了了。这点对于做过超高层的结构工程师们大概都要内心大呼“我太难了”了吧。尤其是高度超过400米的建筑,抗侧体系控制荷载基本为风荷载,正常设计下来,剪重比好不容易调整够了,外框的地震剪力占比估计大概就5%~7%左右了。而为了满足规范,只能加大构件截面尺寸了。

这种没技术含量的“堆材料”又是技术大牛们所不屑的~~,这时候再来看看斜交网格结构体系,是不是从结构工程师的直接感官就知道,这玩意,刚度小不了~~~,爽了吧!

No.2 斜交网格体系概述

话不多说,先上一组国内外建成或在建的斜交网格体系的超高层建筑图片,大家直接感受下。

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斜交网格结构体系区别于一般框筒结构之处,其外筒由双向交叉连续环绕建筑外表面的斜杆构成,替代了传统上的垂直柱的形式,外筒的巨大刚度使其能够承受较大的水平荷载。   

No.3 斜交网格结构的特点

传统的框筒结构中,通常将核心筒简化为产生弯曲变形的悬臂构件,外框架简化为产生剪切变形的悬臂构件,基于此简化假定导致了外框的基底剪力基本为零,几乎全部由核心筒承担基底剪力。这也是前面我们梳理规范中强调的一定要人为调整外框承担的剪力主要原因。

而对于斜交网格结构中,以轴力为主的斜向构件使得外框(筒)同时产生弯曲变形和剪切变形,楼层的水平剪力主要以斜柱轴向内力向下传递,空间协调工作性较强,扭转刚度大,剪力滞后效应弱,外框(筒)甚至可以提供大于内容的结构侧向刚度。    

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No.4 斜交网格结构案例

拿一个近期接触到的实际案例为例,对比说明下斜交网格结构的外框(筒)与核心筒之间的刚度及地震剪力分配到底能比传统结构大多少。

某在建400米超高层,抗震设防烈度7度,设计地震分组第一组,场地设计特征周期0.65s;结构系统侧向受控于地震作用及风效应的共同作用。结构设计对比二个结构方案,方案一为传统的带状桁架及外伸桁架的框架-核心筒结构体系外框架为钢管混凝土柱及组合钢梁,核心筒为钢筋混凝土;方案二将外框柱在底部区域改为斜交网格曲柱体系,同时取消外伸桁架。如下图:

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方案二底部加强区部分侧视图及角侧视图如下:

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采用ETABS进行建模分析计算:直接对比方案一及方案二的外框地震剪力曲线图如下图:

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实际的对比数据也完全映证了我们开始的想法,方案一的传统的带状桁架及外伸桁架的框架-核心筒结构体系,外框在底部承担的地震剪力8%都到不了,而方案二中,斜交网格在底部承担的地震剪力占比已达到了40%~50%,其抵抗地震剪力的能力已经完全不属于钢筋混凝土核心筒了。

整个结构体系来看,底部的斜交网格区域,其本身就完全是一个放大版的带状桁架,类似于一个落地的多层的加强层。对于此类结构体系,其在竖向荷载下的受力性能和传力途径;在水平荷载下的内外框筒的协同工作性能;斜交网格构件在大震下的塑形发展过程;网格交叉节点的安全储备等;与传统的结构体系还是有较大差异的。

No.5 斜交网格侧向刚度影响因素

影响斜交网格外框刚度的主要因素主要有:1. 斜交网格构件的截面尺寸;2. 斜向网格构件与水平的夹角;3.斜杆的计算长度;4. 外立面体型及外立面宽度;5.立面的跨数;6.斜交网格的弹性模量。

一些文献中提出了斜交网格模块的剪切刚度和弯曲刚度的简化算法如下:

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A斜柱截面;L斜柱长度;θ为斜杆夹角;B为立面宽度,n为立面跨数,E为斜杆的弹性模量。

斜交网格以轴力承受竖向及水平荷载,能有效的将角柱内力传递至立面中部,降低了剪力滞后效应,同时外圈环梁有效约束斜柱协同工作,影响刚度的主要因素排序为:

斜杆夹角θ>立面宽度B>立面跨数n>A斜柱截面。

No.6 核心筒体系的抗震性能

斜交网格结构框架的刚度较大,但其抗震耗能性能根据一些文献研究表明并不好,主要原因在水平荷载工况下,其破坏耗能机理不尽如人意,如下图所示:

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在水平推覆力下,整体受力呈一侧受压,一侧受拉的受力形式。主要的耗能构件均为轴向受力,在轴向受力作用下,杆件的变形骨架曲线在拉压二侧是非对称的,受拉状态下,杆件有较长的屈服耗能段;但在受压状态下,杆件或因失稳屈曲超出失稳临界点后就迅速退出工作,无法较好的耗能。而通过有限元模拟显示,受压一侧先行进入弹塑性阶段,随后受拉一侧也出现塑形铰。整体延性还是较差。因此在高烈度区,斜交网格体系的设计还是要进行大震下的结构抗震性能专项研究,并且如何提高其延性及耗能能力将是研究的重点。

No.7 斜交网格节点

斜交网格体系运用在实际工程当中时,其形式和外轮廓布置根据建筑造型的要求,可以有多种多样的变化形式,正如本文第二章中展示的部分案例所示,节点形式主要为钢筋混凝土混合节点、异性钢管相关节点、钢板焊接成形节点等。与传统框筒结构体系不同的是,斜交网格体系中斜交节点则也是设计中需要重点考虑的问题之一。 

较常见的典型钢管混凝土构件节点有三柱节点及四柱节点,常规形式如下图所示:

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并且由于构件尺寸及夹角等原因,其节点区域可能需贯通3~4层的范围,节点受力较为复杂。

1.png除进行节点有限元分析之外,尚应进行节点等比例缩尺或实际尺寸节点试验以确认节点的可靠性。

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No.8 小结

作为一种能提供较大刚度的结构体系,斜交网格结构,从编者个人观点来看无疑是一种新颖高效的结构体系。

但在国内,如何将其与我国的抗震设防要求:小震不坏,中震可修,大震不倒的三阶段设防目标结合起来运用在实际项目中?编者自己也参加过斜交网格结构体系项目的全国超限审查,国内的专家对此结构体系的抗震性能也是存有疑虑,并且认为其外框软件计算得出的地震剪力分担比例较高,主要由构件轴力的水平分量提供。如剔除此部分贡献,剩下还能有多少?再结合其他文献中的一些建议,仍期望此结构体系运用在低烈度区较为合适。

不过也有越来越多的学者和大牛工程师们对斜交网格结构进行系统性的研究分析。针对其刚度问题,通过与建筑造型相结合做到曲柱直柱有序交替变化,以期望达到刚度可控做到“刚柔并济”;针对其大震下受压侧容易失稳退出工作的情况,在斜交网格中增加BRB构件,等等,一些列的探索也在不断进行之中。

编者相信在不久的将来,这种刚度良好的结构体系可以作为一种成熟可靠的结构体系供结构工程师们选择应用吧。

参考文献

[1] 周健,汪大绥.高层斜交网格结构体系的性能研究[J]

[2] 郭伟亮 高层斜交网格筒结构体系力学性能及地震失效控制研究[D]

[3]桑丹 斜交网格筒结构侧向刚度影响因素研究[J]

[4]王传峰,谢伟强.  斜交网格结构体系的应用现状[C]

[5]SOM,SIADR,GAD 宁波东部新城核心区A3-25-2#地块超限高层抗震设防专项审查报告[R]

文章来源于【非解构】,已获转载资格

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