31第26章_復(fù)雜高層混合結(jié)構(gòu)_肖從真徐自國(guó)

1、第26章復(fù)雜高層混合結(jié)構(gòu)自20世紀(jì)80年代開始，特別是90年代及21世紀(jì)初，一批現(xiàn)代高層建筑以全新的面貌 呈現(xiàn)在人們面前。業(yè)主和建筑師為在建筑藝術(shù)、建筑造型以及建筑功能、用途等方面體現(xiàn)其 創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了眾多體型復(fù)雜和內(nèi)部空間多變的高層建筑。經(jīng)過近幾十年的研究和工程實(shí)踐， 結(jié)構(gòu)工程師發(fā)揮其創(chuàng)造才能，盡可能地解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各種技術(shù)難題，陸續(xù)發(fā)展了多種復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系， 這些結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)等等。從發(fā)展趨勢(shì)上講，復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)將逐漸增多。但是， 應(yīng)當(dāng)指出，這些建筑結(jié)構(gòu)一般都是不規(guī)則的，有些甚至是特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，經(jīng)受過強(qiáng)震作用檢驗(yàn)

2、的結(jié)構(gòu)為數(shù)較少。因此，試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬計(jì)算成為結(jié)構(gòu)工程師順利進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的有力保障。本章主要針對(duì)目前出現(xiàn)的幾種復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行介紹，并結(jié)合一個(gè)具體工程實(shí)例及其數(shù)值分析結(jié)果討論其在設(shè)計(jì)、計(jì)算分析過程中應(yīng)注意的問題。26.1轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)的底部， 當(dāng)上部樓層部分豎向構(gòu)件 （剪力墻、框架柱）不能直接連續(xù)貫 通落地時(shí)，應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層， 在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 這類結(jié)構(gòu)稱為帶轉(zhuǎn)換層高 層建筑結(jié)構(gòu)。近年來，帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的高層建筑越來越多， 有些通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)建筑造 型沿豎向的收進(jìn)或外挑，有些則為了實(shí)現(xiàn)斜柱與直柱的轉(zhuǎn)換，而且轉(zhuǎn)換層位置也越來越高。帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)屬于豎向構(gòu)件不

3、連續(xù)及豎向剛度突變的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層上、下樓層構(gòu)件的內(nèi)力、位移均容易發(fā)生突變，對(duì)抗震十分不利。研究成果表明，影響帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能的因素主要有轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度、轉(zhuǎn)換層上下樓層側(cè)向剛度比、轉(zhuǎn)換層上下等效剛度比等因素有關(guān)：轉(zhuǎn)換層位置越高，轉(zhuǎn)換層上下層間位移角包絡(luò)及剪力分配和傳力途徑突變?cè)矫?顯；轉(zhuǎn)換層與其上一層側(cè)向剛度比減小，其剪力比也減?。晦D(zhuǎn)換層與其上層的等效剛度比增大，其對(duì)應(yīng)層間位移角及剪力比均增大，對(duì)其抗震性能有重要影響。針對(duì)上述研究成果， 在設(shè)計(jì)中應(yīng)著重針對(duì)上述因素進(jìn)行控制：首先，應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置的高度；其次，有效控制側(cè)向剛度比以達(dá)到控制轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角及內(nèi)力突變的目的； 再者，還

4、應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比，使其盡量接近于1,且不大于1.3。在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，應(yīng)注意以下問題：1）對(duì)于帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)， 必須將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要部分采用符合實(shí)際 受力及變形狀態(tài)的計(jì)算模型進(jìn)行三維空間整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。必要時(shí)，應(yīng)采用三維有限元程序（如SAP2000等）對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部補(bǔ)充計(jì)算；2）當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的局部模型計(jì)算時(shí)，應(yīng)至少取轉(zhuǎn)換層上下兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)入計(jì)算模型， 同時(shí)應(yīng)注意對(duì)構(gòu)件的軸線位置按照實(shí)際的空間位置進(jìn)行偏置，并應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛域的影響以及模型邊界條件應(yīng)符合實(shí)際的工作狀態(tài)；3）當(dāng)高位轉(zhuǎn)換時(shí)，還應(yīng)注意對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行重力荷載下的施工模擬計(jì)算；4）抗震設(shè)計(jì)時(shí)，

5、轉(zhuǎn)換層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)；8度抗震設(shè)防時(shí)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件應(yīng)考慮其上豎向荷載代表值的10%作為附加豎向地震作用力，且此附加豎向地震作用應(yīng)考慮上下兩個(gè)方向。26.2連體結(jié)構(gòu)以滿足建筑造型及使用連體結(jié)構(gòu)是指兩幢或幾幢高層建筑之間由架空連接體相互連接,功能要求的特殊結(jié)構(gòu)形式。連接體的跨度有幾米長(zhǎng)，也有幾十米長(zhǎng)，可以沿建筑物豎向布置 一個(gè)或多個(gè)。根據(jù)連接體與塔樓的連接方式，可將連體結(jié)構(gòu)大致分為強(qiáng)連接方式及弱連接方 式兩類：強(qiáng)連接是指當(dāng)連接體結(jié)構(gòu)包含多層樓蓋，且連接體結(jié)構(gòu)剛度足夠，能實(shí)現(xiàn)將主體結(jié)構(gòu)連接成為整體協(xié)調(diào)受力、 變形的連接形式；反之，當(dāng)連接無法協(xié)調(diào)連接體兩側(cè)結(jié)構(gòu)的共同 工作及協(xié)調(diào)受力時(shí)則

6、視為弱連接形式，連接體可以采用一端與結(jié)構(gòu)較接，一端采用滑動(dòng)支座或者兩端均做成滑動(dòng)支座的方式?？梢姛o論是強(qiáng)連接方式還是弱連接方式，連體結(jié)構(gòu)均是通過連接體將不同結(jié)構(gòu)連在一 起，體型比一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 因此連體結(jié)構(gòu)受力比一般單體結(jié)構(gòu)或多塔樓結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其變形及受力具有如下特點(diǎn)：1）較之其他體型的結(jié)構(gòu)，連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變形較大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著。具體表現(xiàn)為： 當(dāng)風(fēng)或地震作用時(shí)， 結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動(dòng)變形外， 還將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形， 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨連體結(jié)構(gòu)的 不對(duì)稱性的增加而加劇。即使對(duì)于對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)，也會(huì)由于連接體樓板會(huì)發(fā)生變形，兩塔樓除有同向平動(dòng)外， 還很有可能產(chǎn)生兩塔樓的相向運(yùn)動(dòng)，該振動(dòng)形態(tài)是與整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)

7、振型相耦合的。實(shí)際工程中，由于地震在不同塔樓之間存在一定差異，很有可能發(fā)生兩塔樓相向運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，此時(shí)對(duì)于連體結(jié)構(gòu)的受力相當(dāng)不利。而且，對(duì)于多塔連體結(jié)構(gòu)， 因體型更為復(fù)雜，其振動(dòng)形態(tài)也將更為復(fù)雜，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯；2）連接體部分受力相當(dāng)復(fù)雜。 連接體是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位：一方面，連接體部分要 協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，在水平荷載作用下承受較大的內(nèi)力；另一方面，當(dāng)其本身跨度較大時(shí)，除豎向荷載作用外，豎向地震作用亦會(huì)相當(dāng)顯著。3）連接體兩端結(jié)構(gòu)的連接方式對(duì)連體結(jié)構(gòu)的影響顯著。當(dāng)采用強(qiáng)連接時(shí)，連接體與兩端塔樓或剛接或錢接，“強(qiáng)制”兩端塔樓結(jié)構(gòu)及連體結(jié)構(gòu)整體變形協(xié)調(diào)，共同受力。一般情 況下，連接體同塔樓連接處

8、受力較大，構(gòu)造處理較為復(fù)雜；當(dāng)采用弱連接時(shí)，連接體與兩端 塔樓采用滑動(dòng)支座連接，此時(shí)應(yīng)注意科學(xué)、可靠地預(yù)計(jì)滑動(dòng)支座的滑移變形量，避免連接體滑落及連接體同塔樓發(fā)生碰撞對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成破壞?？梢姡瑥?qiáng)連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是保證連接體與塔樓可靠連接，共同受力，工作重點(diǎn)是圍繞如何保證連接體與塔樓整體共同工作及該特殊體型結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析及設(shè)計(jì)方面開展； 弱連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題則是如何準(zhǔn)確模擬滑動(dòng)支座的性質(zhì)，確定支座最大變形量的工作方 面。二者在計(jì)算分析時(shí)應(yīng)注意以下問題：1）對(duì)連體結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維有限元程序，連接體部分采用彈性樓蓋假設(shè)，進(jìn)行整體建模的內(nèi)力與變形；2）抗震計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振

9、型數(shù)不應(yīng)小于15,多塔樓結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%;3）應(yīng)采用時(shí)程分析方法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算；4）應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用的計(jì)算分析，并在設(shè)計(jì)中考慮豎向地震 （反應(yīng)譜）的效應(yīng)影響。高規(guī)中第10.5.2條及條文說明中規(guī)定，8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，連體結(jié)構(gòu)的連接體豎向地震作 用標(biāo)準(zhǔn)值可取連體部分重力荷載代表值的10%。但是，應(yīng)當(dāng)指出的是，實(shí)際工程中連接體結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其自身的重要性確定其豎向地震的考慮方法，可采用按中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并補(bǔ)充考慮豎向地震作用為主的組合；5）在連體結(jié)構(gòu)高層建筑的風(fēng)荷載計(jì)算分析過程中，應(yīng)注意風(fēng)荷載作用的取值問題。可將單幢建筑的體型系數(shù)，乘

10、以相互干擾增大系數(shù)，作為設(shè)計(jì)條件，必要時(shí)宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)；6）對(duì)弱連接方式，應(yīng)針對(duì)支座非線性性質(zhì)進(jìn)行非線性時(shí)程分析。26.3體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)，又稱豎向收進(jìn)，是高層建筑中常見的現(xiàn)象， 主要的表現(xiàn)形式有結(jié)構(gòu)上部的收 進(jìn)和帶裙房的結(jié)構(gòu)在裙房頂?shù)氖者M(jìn)。是結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的典型。從結(jié)構(gòu)受力角度看，這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系豎向剛度存在突變，結(jié)構(gòu)的高階振型的影響較大。數(shù)值模擬研究表明：在結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)的部位， 柱的彎矩和剪力都有較大的突變，同時(shí)由于裙房與主塔樓的偏心布置， 扭轉(zhuǎn)作用明顯，如果此部分構(gòu)件設(shè)計(jì)不好， 就會(huì)造成地震作用下體 型收進(jìn)處的構(gòu)件過早破壞， 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞， 甚至倒塌；而且裙房頂板與主塔樓連接處在

11、 小震作用下主拉應(yīng)力就已接近混凝土的抗拉強(qiáng)度，在地震作用下會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞。值得說明的是，上述分析結(jié)果均已在模型試驗(yàn)中得到證實(shí)。此外，有些結(jié)構(gòu)在體型收進(jìn)時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的偏心，如大底盤與塔樓的偏心布置，成為偏心收進(jìn)。計(jì)算研究表明： 隨著偏心程度的增加，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)逐漸增大，裙房周邊柱的內(nèi)力有顯著的增加，離塔樓遠(yuǎn)的裙房角柱在底層內(nèi)力放大較多，而離塔樓近的裙房角柱在頂層內(nèi)力放大較多。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)注意以下問題：1）結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)會(huì)造成豎向剛度的不連續(xù)，在體型收進(jìn)處結(jié)構(gòu)的層間位移會(huì)有突變， 豎向構(gòu)件的內(nèi)力也會(huì)明顯增大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利；而且，結(jié)構(gòu)層間位移和構(gòu)件內(nèi)力的突變與收進(jìn)的程度有關(guān)

12、，收進(jìn)愈大，結(jié)構(gòu)的突變愈嚴(yán)重，內(nèi)力則放大越多。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)豎向構(gòu)件的配筋，保證在地震作用下不喪失豎向承載能力。2）在大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)中，塔樓的底層是內(nèi)力突變的部位，應(yīng)特別加強(qiáng)，尤其注意避 免這一層的剛度小于上一層剛度，從而造成薄弱層。3）結(jié)構(gòu)收進(jìn)如果造成偏心，底部結(jié)構(gòu)會(huì)因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響而內(nèi)力加大，底部結(jié)構(gòu)的周 邊構(gòu)件應(yīng)加強(qiáng)配筋，裙房頂部應(yīng)適當(dāng)加厚，配筋也應(yīng)加強(qiáng)。此外，結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)如果能夠滿足 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中對(duì)體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)的限制條件，則其抗震性能削弱不多；但如果無法滿足規(guī)范限制條件，如收進(jìn)較多，設(shè)置部分較高、收進(jìn)程度較大或偏心收進(jìn)等比較嚴(yán)重的情況，采用一般的分析方法往往無法掌握

13、結(jié)構(gòu)的受力特征，應(yīng)補(bǔ)充進(jìn)行時(shí)程分析和彈塑性分析的計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)抗震性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，并予以加強(qiáng)。懸挑結(jié)構(gòu)與體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)相反， 懸挑結(jié)構(gòu)則是結(jié)構(gòu)上部體型大于下部體型， 但同樣屬于豎向不規(guī) 則結(jié)構(gòu)。懸挑結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則， 會(huì)因受豎向地震作用的影響， 對(duì)高層建筑主體部分附加較大 的傾覆力矩。而且其自身結(jié)構(gòu)冗余度低，設(shè)計(jì)中應(yīng)給予足夠重視，應(yīng)注意以下問題：.薄弱層問題懸挑結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)剛度大于下部結(jié)構(gòu)，意味著下部結(jié)構(gòu)可能形成薄弱層，設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和構(gòu)件承載力，滿足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的要求，即樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%; A

14、級(jí)高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80% ,不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的65%; B級(jí)高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于其上一層受剪承載力的75%。此外，由于上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大于下部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高振型的影響比較嚴(yán)重，計(jì)算分析時(shí)應(yīng)選用足夠數(shù)量的振型數(shù)，并應(yīng)補(bǔ)充進(jìn)行時(shí)程分析， 對(duì)結(jié)構(gòu)的層間力和層間位移進(jìn)行對(duì)比，校核反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果是否安全，并發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。.扭轉(zhuǎn)效應(yīng)懸挑結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大， 扭轉(zhuǎn)慣性矩就大，而結(jié)構(gòu)下部的平面尺寸小， 造成結(jié)構(gòu)整 體的抗扭剛度相對(duì)較小， 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)一般會(huì)比較顯著， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度， 限制 扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

15、。應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期 Ti 之比：A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于 0.9, B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于 0.85的要求。對(duì)在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的水平位移和層間位移，A級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。.豎向地震效應(yīng)懸挑部位的豎向地震作用十分重要，設(shè)計(jì)中必須考慮。可以采用豎向反應(yīng)譜法或豎向時(shí)程分析的方法進(jìn)行計(jì)算。.關(guān)鍵部位及關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)懸挑部分的根

16、部是懸挑結(jié)構(gòu)的最關(guān)鍵部位，因?yàn)閼姨舨糠纸Y(jié)構(gòu)冗余度很低，沒有多道防線，一旦發(fā)生懸挑根部破壞，懸挑部分的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生折斷而倒塌。因此，對(duì)于承受懸挑部分重量的主要構(gòu)件，包括懸挑部分根部的梁和懸挑部分受拉的斜撐，宜進(jìn)行大震下的強(qiáng)度驗(yàn)算，保證大震不破壞。支撐懸挑結(jié)構(gòu)根部的豎向構(gòu)件也是比較關(guān)鍵的構(gòu)件，應(yīng)適當(dāng)提高安全度。鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)所謂“混合結(jié)構(gòu)”，就是由不同材料的構(gòu)件共同組成的結(jié)構(gòu)，如醇與混凝土混合而成的 磚混結(jié)構(gòu)，鋼(或其他組合構(gòu)件)與鋼筋混凝土組成的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。本章著重探討 的混合結(jié)構(gòu)專指鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。這一種混合結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最多的就是鋼筋混凝土筒體(或型鋼混凝土筒體)與鋼或型鋼混凝土

17、、 鋼管混凝土框架組成的結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)利用鋼 筋混凝土筒體剛度大的特點(diǎn)，以鋼筋混凝土或型鋼混凝土剪力墻或筒體承擔(dān)主要的側(cè)向力， 而鋼或其他組合構(gòu)件的強(qiáng)度高，主要承擔(dān)豎向荷載，這樣就充分發(fā)揮了各種材料的長(zhǎng)處。混合結(jié)構(gòu)通過合理的結(jié)構(gòu)布置，充分利用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大的特點(diǎn)，保證了結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載下具有足夠的剛度，同時(shí)也利用了鋼或其他組合構(gòu)件承載力高的特點(diǎn)，減小了結(jié)構(gòu)構(gòu)件占用的建筑面積， 可以說是充分利用了各種結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，提高了結(jié)構(gòu)的性能?；旌辖Y(jié)構(gòu)同時(shí)具備了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，抗震性能好，造價(jià)合理，因此，近年來在國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛，尤其是新近設(shè)計(jì)的高層、超高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。組

18、合構(gòu)件因承載力高， 延性好，除應(yīng)用在混合結(jié)構(gòu)中， 也經(jīng)常在復(fù)雜鋼筋混凝土高層建 筑中采用，是帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換梁、 框支柱、落地剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件的合理選擇， 成為鋼筋混凝土高層建筑中關(guān)鍵部位最常用的加強(qiáng)方案?；旌辖Y(jié)構(gòu)用于高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分析存在一定的難度，這些難度主要是由 兩方面原因造成的，其一是混合結(jié)構(gòu)自身在結(jié)構(gòu)分析中存在的難點(diǎn)，另一方面是因?yàn)椴捎没旌辖Y(jié)構(gòu)的高層、超高層建筑本來就存在復(fù)雜性。 研究清楚這些難點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜高層建筑中的混 合結(jié)構(gòu)分析是至關(guān)重要的。以下是在計(jì)算分析中應(yīng)重視的問題。阻尼問題阻尼是動(dòng)力分析的一大特點(diǎn)，也是動(dòng)力分析中的一個(gè)易于引起困惑之處， 而且由于它只

19、 是影響動(dòng)力響應(yīng)的衰減， 出了錯(cuò)不容易覺察。 在鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)中， 結(jié)構(gòu)阻尼的本質(zhì)和 表現(xiàn)均相當(dāng)復(fù)雜，在進(jìn)行動(dòng)力分析過程中可以通過如下幾種方法進(jìn)行考慮：.瑞禾1J ( Rayleigh )阻尼瑞利阻尼，又被稱為比例阻尼是目前最常用也是比較簡(jiǎn)單的阻尼形式。它是大多數(shù)動(dòng)力分析中考慮阻尼的首選，其精度對(duì)許多實(shí)際工程應(yīng)用也是足夠的。其數(shù)學(xué)形式如下：C =aM +BK(26.1 )、工 口q =十i-1=1,2（26.2）2 i 2式中：C結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣；外3質(zhì)量矩陣及剛度矩陣系數(shù)，通過聯(lián)立名勾兩個(gè)自振頻率的阻尼比（式26.2 ）確定?？梢钥闯?，這種形式阻尼的本質(zhì)是通過確定兩個(gè)頻率點(diǎn)上質(zhì)量阻尼（“）

20、與剛度阻尼系數(shù)（3）,并使得二者之和產(chǎn)生的等效阻尼與已知的結(jié)構(gòu)總阻尼比I效應(yīng)相等。我們知道，在一般進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)往往取2%的阻尼比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則取5%的阻尼比，而在混合結(jié)構(gòu)中需要根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同進(jìn)行分別考慮：對(duì)于鋼（型鋼混凝 土、鋼管混凝土）框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)阻尼比可取為4%;對(duì)于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可取為3.5%。瑞利阻尼在Sap2000中，可以在時(shí)程計(jì)算工況定義對(duì)話框中進(jìn)行輸入，同時(shí)程序提供了多種輸入方式，非常方便。值得說明的是，瑞利阻尼既可以做直接積分法的分析，也可以在振型疊加法的分析中使用。.振型阻尼比在采用振型疊加法進(jìn)行動(dòng)力分析過程中， 結(jié)構(gòu)阻尼還可以通過對(duì)

21、結(jié)構(gòu)振型指定阻尼比的 方法進(jìn)行考慮。假設(shè)已知結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比 K后，則與輸入的模態(tài)阻尼比對(duì)應(yīng)的阻尼矩陣用下 式求出：電TC;g=4 叫，i（26.3）式中：a是第i個(gè)振型向量，fi是對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率。需要指出的是公式 （26.3）只有理論意義，在振型疊加計(jì)算中是直接使用定義的振型阻 尼比從而得到結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣并進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算的。在Sap2000中，程序?qū)φ裥妥枘岜忍峁┝巳娴妮斎敕椒?，可以?duì)不同振型輸入不同的阻尼比。該功能還可以解決實(shí)際工程中存在的一些特殊混合結(jié)構(gòu)（如部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、 部分鋼結(jié)構(gòu)）的復(fù)雜阻尼問題，可以根據(jù)不同部分結(jié)構(gòu)振型的不同采用不同阻尼比，非常簡(jiǎn)便。.材料阻尼與上述兩種阻尼不同

22、的，材料阻尼是材料的特性之一，又稱滯回阻尼，其最顯著的特點(diǎn)是與結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻率無關(guān)，即與結(jié)構(gòu)模態(tài)無關(guān)。表26-1中列出了常見材料的材料阻尼系數(shù)。表26-1常見材料的材料阻尼系數(shù)純鋁鋼鉛鑄鐵0.000020.0020.0010.0080.0080.0140.0030.03天然橡膠硬橡膠玻璃混凝土0.10.31.00.00060.0020.010.06下面給出材料阻尼系數(shù)與粘性阻尼比之間的關(guān)系：假設(shè)在單自由度情況， 質(zhì)量m做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，U，k=ce （c是對(duì)應(yīng)的粘性阻尼系數(shù)） 因此得到對(duì)應(yīng)的阻尼比為：c(26.4 )二 kccr在Sap2000中，可以在材料定義對(duì)話框中進(jìn)行定義。需要指出的是該阻尼在程

23、序中僅對(duì)反應(yīng)譜及振型疊加法有效。. 2 25%剪力調(diào)整問題對(duì)于抗震設(shè)計(jì)，型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體各層框架柱所承擔(dān)的地震剪力值在 高規(guī)中有較為詳細(xì)的規(guī)定，這里需要指出的是：在 SAP2000中，驗(yàn)算是否滿足上述要 求可以將結(jié)構(gòu)中框架柱按樓層分別定義成截面切割（sectioncut）,并輸出其層剪力及框架承擔(dān)的剪力。26.5.3組合構(gòu)件的輸入問題由鋼-混凝土組合而成結(jié)構(gòu)構(gòu)件是混合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一，也是在結(jié)構(gòu)分析模型中必須進(jìn)行模擬的關(guān)鍵問題。在SAP2000中，可以通過程序中提供的截面設(shè)計(jì)器進(jìn)行這種組合構(gòu)件的輸入。該截面 設(shè)計(jì)器能夠方便的用來生成用戶自己的框架截面屬性：用戶可以創(chuàng)建任意幾何形狀和

24、不同材料組合的截面。基本分析集合屬性（面積、慣性矩、扭轉(zhuǎn)常數(shù)）能夠計(jì)算出來并應(yīng)用于分析 之中。而且，截面設(shè)計(jì)器還可以計(jì)算非線性框架錢的屬性。需要注意的是：1）應(yīng)在進(jìn)入截面設(shè)計(jì)器之前定義好所使用的材料；2）在進(jìn)行截面編輯中，當(dāng)有兩個(gè)同材料的截面重疊時(shí)，應(yīng)同時(shí)選中上述兩截面并進(jìn)行 merge操作，以消除其重疊部分的重復(fù)計(jì)算。3）更改所使用的材料性質(zhì)后，退出截面編輯器，程序不會(huì)自動(dòng)將組合截面的性質(zhì)進(jìn)行 更新，解決辦法是再進(jìn)入一次截面編輯器。復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)算例分析工程概況北京當(dāng)代萬國(guó)城北區(qū)工程地上總建筑面積約為160,000平方米，由九個(gè)最高有 21層的塔樓及其它建筑組成，包括一個(gè)中心影院和地下停車庫(kù)，

25、塔樓主要用于住宅用途。九個(gè)塔樓（以字母T表示）在結(jié)構(gòu)頂部通過連廊（以字母B表示）連接成環(huán)形系統(tǒng)，并且多個(gè)塔樓頂部帶有較大的懸挑結(jié)構(gòu)，如圖26-1所示。圖26-1北京當(dāng)代萬國(guó)城工程示意圖懸挑及體型收進(jìn)部分的設(shè)計(jì)本工程中T1、T2、T7、T8及T9結(jié)構(gòu)均存在長(zhǎng)度較大的懸挑結(jié)構(gòu)，平均約為10m,超過了規(guī)范中懸挑的最大建議尺寸。針對(duì)結(jié)構(gòu)懸挑及體型收進(jìn)的情況，采取了以下措施：.懸挑部分采用鋼結(jié)構(gòu)為降低懸挑部分自重， 減小懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，懸挑部分結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)。梁、柱采用H型鋼，樓板采用壓型鋼板混凝土樓板。.懸挑部分增設(shè)斜撐，塔樓增設(shè)斜撐和十字型剪力墻如圖26-2所示，為承受懸挑部分重力荷載產(chǎn)生

26、的傾覆力矩，在懸挑部分增設(shè)鋼斜撐， 將傾覆力矩傳遞到塔樓上；在塔樓相應(yīng)的部位也增設(shè)型鋼混凝土斜撐，使塔樓整體承受傾覆力矩。在塔樓內(nèi)除設(shè)置核心筒外，還設(shè)置了十字型剪力墻，提高塔樓整體的剛度和抗傾覆能 力。.進(jìn)行豎向地震驗(yàn)算根據(jù)規(guī)范規(guī)定，對(duì)8度區(qū)的長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)要進(jìn)行豎向地震的驗(yàn)算。本工程進(jìn)行了豎向反應(yīng)譜和豎向地震時(shí)程分析，豎向地震峰值取水平地震的0.65倍，并考慮了豎向地震與水平地震的組合（包括水平地震為主的組合和豎向地震為主的組合）。c E口 口CP 口口 nr一口口【 口口一混能士里悄泡曲土相架T9南立面1圖26-2懸挑結(jié)構(gòu)及體型收進(jìn)（T9） 布置示息nnnrn n-二 m m 口 n n rM

27、Hm nLJ懸挑：鑰結(jié)構(gòu)J.提高懸挑部分和支撐懸挑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)考慮到懸挑結(jié)構(gòu)的冗余度低， 在設(shè)計(jì)過程中提高了懸挑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。懸挑部分的結(jié)構(gòu)按中震彈性計(jì)算，即懸挑部分的構(gòu)件驗(yàn)算時(shí)，按中震彈性地震力（水平地震和豎向地 震）與豎向荷載進(jìn)行組合，考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。直接支撐懸挑結(jié)構(gòu)的構(gòu) 件按中震不屈服設(shè)計(jì)，即按中震彈性地震力與豎向荷載進(jìn)行組合，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)， 材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。.體型收進(jìn)處結(jié)構(gòu)加強(qiáng)根據(jù)以往的研究成果和本工程的彈塑性分析結(jié)果，高位、大比例的體型收進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能是不利的，要保證結(jié)構(gòu)在收進(jìn)處剛度的延續(xù)，并保證收進(jìn)處構(gòu)件的延性和承載力。對(duì)體型收進(jìn)位置

28、高，而且是偏心的收進(jìn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中在收進(jìn)位置的上下設(shè)置了額外的斜 撐，盡量避免收進(jìn)處結(jié)構(gòu)剛度的突變。同時(shí)在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，也將收進(jìn)的樓層指定為薄弱層， 進(jìn)行地震剪力的放大，提高構(gòu)件的承載力。連體部分的設(shè)計(jì)萬國(guó)城北區(qū)工程 9個(gè)塔樓通過連廊連為整體，成為一個(gè)非常復(fù)雜的連體結(jié)構(gòu)如圖26-3所示。連廊 B12、B23、B35、B56、B78、B89、B69 跨度依次約為 40.4m、33.9m、34.2m、 24.8m、33.9m、44.4m、54.5m ,設(shè)置高度在距地面 35.05m 58.05m 范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)中采取了以下措施：.設(shè)置隔震支座在連廊的兩端都設(shè)置隔震支座，將連廊與塔樓隔開，塔樓只承受

29、連廊的豎向荷載和隔震 后很小的地震作用。通過設(shè)置摩擦擺式隔震支座（ FPB, Friction Pendulum Bearings ）,有效 地減小了各個(gè)塔樓的相互影響，并且有效地減小了連廊造成的整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量偏心和扭轉(zhuǎn)作用。其中隔震支座的曲面半徑為2.24m,支座周期為3s,動(dòng)摩擦系數(shù)為4%,支座最大變形能力為 500mm。為確定連廊隔震后的性能，建立了包括8個(gè)塔樓（T1T9 ）及七個(gè)連廊（B12B89）的整體計(jì)算模型，進(jìn)行了地震作用下的時(shí)程分析。同時(shí)將時(shí)程分析中連廊和塔樓的相互作用分別施加到連廊和塔樓上作為地震作用進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。圖26-3萬國(guó)城工程連體結(jié)構(gòu)平面布置圖.進(jìn)行地震驗(yàn)算隔震支座只

30、能減小水平地震的作用，對(duì)豎向地震的影響沒有效果， 所以進(jìn)行連廊設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行了豎向地震的時(shí)程分析和反應(yīng)譜計(jì)算，豎向地震的峰值取水平地震峰值的0.65倍。同時(shí)，為了確定隔震支座地震下的最大變形，防止大震作用下連廊不會(huì)發(fā)生跌落，也不會(huì)與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，還進(jìn)行了水平地震作用下的時(shí)程分析。如圖26-4為八個(gè)塔樓及7個(gè)連廊的SAP2000整體模型。圖26-4連體結(jié)構(gòu)整體分析模型在計(jì)算模型中，結(jié)構(gòu)的梁、柱及斜撐等采用梁?jiǎn)卧M，剪力墻采用殼單元模擬，連接體（空中連廊）與主體結(jié)構(gòu)之間的隔震支座則采用雙線性的非線性隔震支座（ ISOLATOR1 ） 模型進(jìn)行模擬；結(jié)構(gòu)阻尼采用振型比例阻尼形式，阻尼比根據(jù)結(jié)構(gòu)類

31、型的不同分別采用： 主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 5%,懸挑及連廊的鋼結(jié)構(gòu)2%。參照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)本工程建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用El-Centro波（E-W分量）、Olympia波以及一條人工波作為水平地震輸入，選用曰-Centro波（豎向分量）、Petrolia波（豎向分量）及人工波作為豎向地震輸入，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)在X、Y及豎向多遇地震（水平地震峰值縮放為 0.07g,豎向地震峰值縮放為0.0455g）與罕遇地震（水平地震峰值縮放為0.4g,豎向地震峰值縮放為 0.26g）作用下的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析，時(shí)程積分方法采用FNA,該方法為SAP2000專為隔震

32、支座、非線性阻尼支撐等局部非線性構(gòu)件提供的快速、高效分 析功能。計(jì)算分析結(jié)果的討論.隔震支座位移量分析0.1 El-CentroO Olympia 上人工波B12B23B35B56B69B78_平均值B89T2ST2NT5N T5ST5N T5ST8N t*I8ST1N T1s ! T2N T2ST3N T3S .A. _,T3N T3S j,.i TT6SN T6NT9ST6N T6S T9NT8NT7N T7S . T8S.T9N T9S57.r- 1V H 14 8 6 4 o o O形變大最座支),02O圖26-5 X方向多遇地震作用下各連廊隔震支座最大變形0.1 Olympia人工波

33、:平均值B12B23B35B56B69B78B89T2N T2ST3N T3ST9S.T6N T6S T9NT8N T8ST1N T1ST2N T2Sr 4 *T T T3N T3S . I5N l5SXT6N T6ST7NT7S* * T8NT8ST9N T9SI I T5N T5SIf*J 08 6 4 2 o o o O形變大最座支圖26-6 Y方向多遇地震作用下各連廊隔震支座最大變形如圖26-5、圖26-6所示，在X及Y方向多遇地震作用下，所有連廊隔震支座的最大變 形分別為 3.6cm （連廊 B56 支座 T5S,El-Centro 波）及 4.2cm （連廊 B35 支座 T3N,

34、El-Centro 波），三條波的平均值為 2.9cm及3.2cm （位置同上）。如圖26-7、圖26-8所示，在X及Y方向罕遇地震作用下，所有連廊隔震支座的最大變 形分別為39.5cm （連廊B35支座T3S,人工波）及 40.6cm （連廊B69支座T9S,人工波），三 條波的平均值為 32.4cm及31.2cm （位置同上）。圖26-9、圖26-10為豎向地震作用下各支座軸力與其重力荷載代表值之比，其中：多遇地震作用下，隔震支座的最大豎向地震效應(yīng)為重力荷載代表值的22.2% （T2N , Petrolia波），最大平均值為16.2% （T2N）;罕遇地震作用下，隔震支座的最大豎向地震效應(yīng)

35、為重力荷載 代表值的126.7% （T2N, Petrolia波），最大平均值為92.3% （T2N）。可見，隔震支座有可 能進(jìn)入受拉狀況，因此，需要選擇均有一定抗拉能力的FPB支座。E El-CentroO Olympia人工波平均值T3NT3ST3NT5N T5ST1N T1ST2N T2ST2ST2N * , T6N T6ST6N T6S T9N T9S工工T8NT8NT9N T9ST8S飛*T7N T7S . T8S1 * B12B23B35B56B69B78B890.6圖26-7 X萬向罕遇地震作用下各連廊隔震支座最大變形0.6ml形變大最座支. El-Centro. Olympia, 人工波_：, 平均值T2N T2ST5N T5ST3N T3ST5NT5ST9Sa.T1N T1ST3N T3ST2N T2SJk T4 &二二* T6NT6ST6N T6S T9NT7N T7S T8N T8SI8ST8N T8ST T T9N T9S- 1 A A * -1 : B12B23B35B56B69B78B895/ o O圖26