超高層裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構在不同場地特征周期下的地震響應

鄭晉陽，馬克儉，魏艷輝，宋 赟，湯明樂

(貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003)

超高層裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構在不同場地特征周期下的地震響應

鄭晉陽，馬克儉*，魏艷輝，宋 赟，湯明樂

(貴州大學 空間結構研究中心，貴州 貴陽 550003)

采用振型分解反應譜法分析了在不同場地特征周期下傳統裝配型鋼密柱與混凝土核心筒組成的筒中筒混合結構和新型裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構的地震響應，包括層剪力，層間位移和層間位移角。分析表明，新型盒式筒中筒結構與傳統混合筒中筒結構在不同場地特征周期下地震響應具有相似的變化規律，因此可以借鑒傳統混筒中筒混合結構的地震響應規律來評價新型盒式筒中筒混合結構的抗震性能。

超高層結構，裝配整體式，盒式結構，筒中筒結構，場地特征周期

超高層建筑結構的地震響應是結構抗震設計的重點之一，研究對超高層建筑結構地震響應的相關參數具有重要意義。建筑結構的地震響應不僅與結構自身的周期有關，同時與建筑物所處的場地結構、震源的距離、地震等級和震源誘發機制有關,當場地特征周期與結構自振周期相近時，結構的地震響應會放大。通常，在結構抗震設計中為了快速有效的評價多遇地震下的彈性性能，一般采用抗震規范[1]規定的振型分解反應譜法，即通過烈度、場地類別、設計地震分組和結構自振周期以及阻尼比等參數確定在各個振型下的地震影響系數，然后計算結構的地震響應。超高層建筑一般為長周期結構(基本周期T>3s)，場地特征周期小于1s,地震作用對結構第一階振型影響較少，不能忽視高階振型的影響。

本文將采用振型分解反應譜法分析新型超高層裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構和傳統裝配型鋼密柱與混凝土核心筒組成的筒中筒混合結構(簡稱傳統混合筒中筒結構)在抗震規范規定的不同場地特征周期下的地震響應的規律，為新型盒式筒中筒混合結構的工程抗震設計與抗震性能評估提供一定的指導。

1 超高層裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構

1.1 裝配整體式鋼空腹夾層板樓蓋

裝配整體式協同式鋼空腹夾層板樓蓋是一種新型樓蓋，由馬克儉院士提出并于2007年申請國家實用型專利[2],如圖1所示。協同式鋼空腹夾層板是由上肋、下肋和方鋼管剪力鍵組成的雙層網格板，其中上肋和下肋為T型鋼或H型鋼。從力學性能上，協同式鋼空腹夾層板樓蓋需要考慮剪切變形的“擬夾芯板”，而傳統由H型鋼組成的密肋樓蓋則只是考慮彎曲變形的彈性薄板。根據樓板形狀合理劃分裝配單元并在工廠加工制作,施工時運至現場,在網格節間中點處采用高強螺栓連接,如圖2所示。拼裝完成后,在上肋焊接栓釘或抗剪鋼筋,然后安裝局部模板澆筑細石混凝土板,形成鋼-混凝土協同式鋼空腹夾層板樓蓋結構[3]。協同式鋼空腹夾層板樓蓋板具有自重輕,跨度大的特點,可應用于大柱網結構以及大跨度屋蓋結構中，裝修時采用輕質隔墻可實現建筑平面的靈活劃分。

1.2 裝配式網格墻架筒體

裝配式網格墻架筒體是由裝配式網格式墻架圍成的筒體結構，如圖3所示。網格墻架是由外筒柱和多道層間梁組成。外筒柱柱距由橫向鋼空腹夾層板網格間距確定，柱與柱之間布置2～3道層間梁，層間梁的間距按照窗戶的大小取值。與常規框架相比，其力學模型為具有剪切變形的“網格板”，抗剪剛度大大提高，具有剪力墻的力學特點。根據外形平面尺寸劃分網格墻架為裝配式單元，如圖4所示，由工廠預制，在工地現場采用高強螺栓等連接，在保證施工質量的前提下，可以加快施工速度，縮短工期。

圖1 裝配整體式協同式鋼空腹夾層板 圖2 鋼空腹夾層板裝配

圖3 豎向網格式盒式墻架筒體 圖4 網格式墻架 圖5 空間鋼網格盒式筒中筒結構

1.3 裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構

裝配式正交斜放空間鋼網格盒式筒中筒混合結構[4](簡稱盒式混合筒中筒結構)是由現澆鋼筋混凝土核心筒、外圍豎向裝配式鋼網格架筒體和橫向裝配整體式協同式鋼空腹夾層板樓蓋組成,如圖5所示。與傳統裝配式筒中筒混合結構的區別在于豎向的鋼網格盒式筒和橫向的協同式鋼空腹夾層板。鋼空腹夾層板網格尺寸通常在2-2.5m之間，豎向墻架網格與樓蓋相同，橫向鋼空腹夾層板采用正交斜放布置方式將比正交正放方式提高豎向墻架網格尺寸1.41倍，即可達到3m-3.6m,也使鋼空腹夾層板受力分布更加均勻。

2 計算模型與主要設計參數

本擬建工程為超高層寫字樓,平面尺寸為36m×36m?？拐鹪O防烈度為7度(0.1g),修正基本風壓取0.45kN/m2,結構阻尼比為0.04。

2.1 傳統混合筒中筒結構

主梁采用H750×300×8×16,1-5層的建筑層高為3.9m,6-58層為3.7m，結構總高度為215.6m。柱距3.6m。采用鋼筋混凝土樓蓋，板厚120mm，結構標準層劃分及主要構件尺寸為表1所示；結構布置圖為圖6～圖7。

表1 傳統混合筒中筒結構主要構件尺寸

2.2 空間鋼網格盒式筒中筒混合結構

鋼空腹夾層板樓蓋(含自動噴淋)厚度為450mm，1-5層的建筑層高為3.45m,6-66層為3.25m,結構總高度為215.5m。結構標準層劃分及主要構件尺寸為表2所示；結構平面布置圖為圖8～圖10。

表2 空間鋼網格盒式筒中筒混合結構主要構件尺寸

圖6 傳統混合筒中筒 圖8 盒式混合筒中筒 圖9 盒式結構筒中筒結構標準層軸測圖 結構標準平面圖 結構標準層平面圖

圖7 傳統混合筒中筒 圖10 盒式混合筒中筒 結構整體模型圖 結構整體模型圖

3 不同場地特征周期下的地震反應譜

抗震規范采用表3的場地特征周期來反應不同場地類別和設計地震分組。根據抗震規范得到了在阻尼比為0.04，設防烈度為7度(0.1g)多遇地震的反應譜,即最大地震影響系數一定的情況下，不同場地特征周期下反應譜的地震影響系數，如圖11所示。為了研究在不同周期下不同場地特征周期的地震影響系數，采用了比例系數ω(即某一周期下不同場地特征周期的地震影響系數α與場地特征周期0.65s時的地震影響系數α的比值)來反應地震影響系數的變化幅度，如圖12所示。由圖12可以看出，在周期T小于1s范圍內，不同周期下的地震影響系數α變化很大；在周期T在1s～4s范圍內，不同周期下的ω變化程度逐漸減??；在周期T大于4s時，不同場地特征周期下的地震影響系數α變化程度已經很小且接近線性變化，場地特征周期Tg每增加0.05s,比例系數ω增加2.5%左右。

表3 規范所采用的場地特征周期Tg

注：表中實線框內為本文所采用的場地特征周期。

圖11 不同場地特征周期的反應譜

圖12 地震影響系數比例系數ω

4 結構分析與計算

采用有限元軟件Midas/Building分別計算兩

種結構在多遇地震作用不同場地特征周期Tg下的結構響應。表4和表5為不同場地特征周期下結構在第一陣型主方向的結構響應，圖13為結構響應比例系數ω與場地特征周期Tg的關系。由圖13可以看出，場地特征周期每改變0.05s,兩種結構的最大層間位移角比例系數增加3%左右，基底剪力比例系數增大2.3%左右，傾覆彎矩比例系數增大2.5%左右，與長周期段地震影響系數比例系數相比，最大層間位移角偏大，基底剪力比例系數與傾覆彎矩比例系數相近。說明最大層間位移角受高階振型影響程度比基底剪力和傾覆彎矩大。

表4 空間鋼網格盒式筒中筒混合結構地震響應(x向)

表5 傳統混合筒中筒結構地震響應(Y向)

圖13 地震響應比例系數變化

圖14和圖15分別為盒式混合筒中筒結構和傳統混合筒中筒結構在不同場地特征周期下的地震響應，反應了各指標的層間變化情況。

圖14(a)和圖15(a)為層間位移角，兩種結構的變化趨勢相同，都是先增大后減小，層間位移角在高度75%左右達到最大值，場地特征周期每增加0.05s,層間位移角增大3%左右。

圖14(b)和圖15(b)為層間位移角比例系數，基本呈“S”形態，第一反彎點出現在總高度的69%左右，在同一場地特征周期下在結構高度1/3區段內變化幅度較小，場地特征周期每增加0.05s，層間位移角比例系數增加3%左右。

圖14(c)和圖15(c)區段為層剪力比例系數，兩種結構曲線變化一致，在同一場地特征周期下比例系數變化幅度很大，在0～13%高度范圍增加幅度很小，在13%～34%高度范圍，比例系數程線性增加，在34%～69%高度范圍比例系數基本維持不變，在69%～90%高度范圍，比例系數線性減少，與13%～90%的線性斜率基本相等，在90%～100%高度范圍，比例系數線性減少；隨著場地特征周期的增加，比例系數增加段和降低段的增加或降低的幅度增加；盒式結構在場地特征周期小于0.55s范圍，比例系數存在明顯的平臺段，在場地特征周期大于0.75s范圍，比例系數的變化曲線同三階平動反應譜相似；傳統結構在場地特征周期小于0.4s,比例系數曲線存在明顯的平臺段，場地特征周期大于0.45s，呈三階平動譜形態；兩種結構都隨著場地特征周期的變長，平臺段的范圍逐漸減小。

圖14(d)和圖15(d)區段為傾覆彎矩比例系數，在同一場地特征周期下，比例系數在90%高度以下逐漸減少，超過90%以上時，又逐漸增加；隨著場地特征周期增加，比例系數在90%高度以下減少的幅度逐漸減小。

圖14 盒式混合筒中筒結構

圖15 傳統混合筒中筒結構

5 結論

超高層盒式混合筒中筒結構和傳統混合筒中筒結構的地震響應會隨著場地特征周期的增大而增加，且具有一定的變化規律。

(1)超高層盒式混合筒中筒結構和傳統混合筒中筒結構，在不同場地特征周期下的地震響應，如層剪力、層間位移角、傾覆彎矩具有相似的變化規律。

(2)在不同場地特征周期下，層剪力比例系數和傾覆彎矩比例系數和長周期段地震影響系數比例系數相近，最大層間位移角比例系數比長周期段地震影響系數比例系數大，最大層剪力比例系數受高階振型的影響程度大于層剪力比例系數和傾覆彎矩比例系數。

(3)超高層盒式混合筒中筒結構和傳統混合筒中筒結構的層間位移角比例系數、層剪力比例系數和傾覆彎矩比例系數變化規律相同，層間位移角比例系數、層剪力比例系數和傾覆彎矩比例系數沿樓層分布具有不同的規律。

(4) 超高層盒式筒中筒結構和傳統混合筒中筒結構在水平地震作用下響應具有相似性，傳統混合筒中筒結構的抗震理念和方法可以應用于超高層盒式混合筒中筒結構。

[1] GB50011-2010, 建筑抗震設計規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2010:33.

[2] 馬克儉, 楊大春, 覃士杰, 等. 裝配整體式平板型或曲面型鋼空腹網格結構[P].中國:200720201111, 2007.

[3] 張華剛, 黃勇, 馬克儉. 鋼空腹夾層板在建筑樓蓋改造中的應用[J]. 貴州工業大學學報(自然科學版),2003,32(4):83-87.

[4] 馬克儉等. 鋼筋混凝土核心筒與裝配整體式空間鋼網格的筒中筒結構[P]. 中國: 201110348963.7, 2012.

(責任編輯：王先桃)

The Semitic Response of the Assembly Integral Spatial Steel Grid“Tube-In-Tube” Cassette Super High-rise Structures in Different Characteristic Period

ZHENG Jinyang, MA Kejian*, WEI Yanhui, SONG Yun, TANG Mingle

(Space Structure Research Center, Guizhou University, Guiyang 550003, China)

By response spectrum analysis in different site characteristic period seismic the seismic response of two super high-rise buildings, the traditional hybrid tube in tube composed with the assembly steel column and concrete core tube and the box hybrid tube in tube composed with the orthogonal diagonal collaborative type steel open web plate floor and the grid steel frame wall structure, was obtained, including the base shear force, story drift, the story drift angle. The results show that the seismic response of two different super high-rise structure is similar ,and the property of seismic response, design method and the seismic performance of the traditional hybrid tube in tube structure is applied to the box hybrid tube in tube structure.

high- rise building; assembly; cassette structure; tube in tube; site characteristic period

1000-5269(2016)06-0083-06

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.06.19

2016-11-23

“十二五”國家科技支撐計劃(2011BAJ09B01-01)

鄭晉陽(1989- )，男，在讀碩士，研究方 向：高層與超高層盒式結構，Email:zjyssrc@163.com.

*通訊作者： 馬克儉，Email:makejian2002@163.com.

TU973.17

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