% 建筑钢结构进展第 卷 主塔楼采用型钢混凝土柱 钢梁 钢筋混凝土核心筒混合结构体系 型钢混凝土柱截面为.. 核心筒剪力墙厚度为 *.. 柱截面尺寸以 及核心筒厚度沿高度逐渐减小 外围钢框架梁高为 + 图 航天科技广场建筑效果图 &!$#' '.''3' '!' # 3:$.. 楼面钢梁高为.. 两

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1 第 卷第 期 年 月 建 筑 钢 结 构 进 展!" # "$" % &' & " & 航天科技广场加强层伸臂桁架方案研究 王文涛 谭 伟 孙素文 悉地国际设计顾问 深圳 有限公司 广东深圳 + 摘 要 结合实际工程探讨了采用屈曲约束支撑作为高层框架核心筒结构加强层伸臂桁架的可行性及优越性 对比分析了普通支撑与屈曲约束支撑加强层方案结构整体动力性能 层间位移角 以及大震下弹塑性基底剪力等 计算结果表明 在满足正常使用状态的情况下屈曲约束支撑可以选择相对较小的截面 在加强层采用屈曲约束支撑作为伸臂桁架能够有效降低结构刚度突变 通过屈服耗能以降低大震下的反应 减小地震作用对整体结构重要构件的破坏 屈曲约束支撑实现提高刚度 承载力同时减小刚度突变的和谐统一 关键词 屈曲约束支撑 加强层 伸臂桁架 层间位移 基底剪力中图分类号 & *& 文献标识码 文章编号 + *+* ' '& ". ' '5&!6&!!'! '! 6# 6! 8# 6!' &7! 422 / / 0 :0 4 "/ & #&0 :0 + 0 / ') -/ 9/ &9 / $$# &$.&$ / 3/ # "; 3 5 "$ / # /$!!" #/ " 0 0- " # 9 05/. -$ " / # $" # / # / /$"/ ; 1 $ 0 :0 &A# /3 /$ $/ 90 $0 " #/ # 3" / #!!$/ / $.;/ # $"# #3 /. $$0//$ $ 50 "$" - 3# 590 " 1 $ 5 D" /0D"/ / # / 0 /5 $ " # / /0D"/ & " 0 90/0 $ 5!! /./ 0/ 0 5 # /3 /$ " #./ 6 $ / &2 " 5" 5!! 0/ $ 5 / #/ 6 / / ";$0/ &!!9 3 #/ ## ;/ $"."/ 6 03 $ 3" # / /0D"/ / 0 ; #"$ /0D"/ /$ 50 " # / #; $ 0.; /.. 5. #/./ #&!! 0 # 3 / 0/ $ 5 / # 0 /$/;/$ 390. / "## 5 $0/ /0 /.. & "$ / # /$ 0 # 3 " - 3# 5 / 0 /5 $ 当框架核心筒超高层结构高宽比较大时 在风荷载较大或地震烈度较高的地区容易出现结构刚度偏小 层 间位移角不能满足规范限值的情况 可考虑设置加强层 来加强核心筒和外围框架的联系 充分发挥周边框架的 抗侧力作用 加强层的设置能够有效提高整体结构的抗 侧刚度 在风荷载作用下 设置加强层是一种控制侧移 的明显 有效的方法 但在地震作用下 加强层的设置将 会引起结构刚度 内力的突变 容易形成薄弱层 为改善 带加强层的超高层结构的抗震性能 本文结合实际工程 对比分析了采用屈曲约束支撑代替普通支撑作为加强层伸臂桁架斜腹杆的优 缺点 工程概况 航天科技广场位于深圳市南山后海片区 项目包含 栋塔楼 层商业裙房及 层地下室 其中主塔楼建筑主体高度为 &. 地上部分为 * 层 标准层层高为 &. 平面尺寸为 *&.<. 结构 向高宽比为 1 向高宽比为 1 核心筒 向高宽比为 1 向高宽比为 & 工程设计基准期为 年 结构设计使用年限同样为 年 场地设防烈度为 + 度 地震分组为一组 抗震设防类别为乙类 场地类别为 类 基本风压取 年一遇的 &* / 地面粗 糙度为! 类 主塔楼建筑效果图如图 所示 结构剖面图及典型楼层平面图分别如图 和图 所示 收稿日期 收到修改稿日期 * 作者简介 王文涛 * 男 硕士 工程师 主要从事高层及超高层建筑结构设计,-./ 9/ &9 / $$# &$.&$ 谭 伟 *+ 男 硕士 高级工程师 主要从事高层及超高层建筑 大跨度体育场馆结构设计及优化

2 % 建筑钢结构进展第 卷 主塔楼采用型钢混凝土柱 钢梁 钢筋混凝土核心筒混合结构体系 型钢混凝土柱截面为.. 核心筒剪力墙厚度为 *.. 柱截面尺寸以 及核心筒厚度沿高度逐渐减小 外围钢框架梁高为 + 图 航天科技广场建筑效果图 &!$#' '.''3' '!' # 3:$.. 楼面钢梁高为.. 两端铰接 由于结构所处的深圳地区风荷载较大 且采用混合结构体系 为弥补结构抗侧刚度的不足 结合建筑 层 层 * 层 个避难层设置伸臂桁架作为加强层 以减小结构在风荷载作用下的水平位移 加强层的设置容易导致结构刚度 内力的突变以及整体结构传力途径的改变 从而造成地震作用下结构变形集中 形成薄弱层 对抗震不利 为优化结构设计 尽量减小加强层的不利影响 考虑在满足相关规范中层间位移角限值要求的前提下尽量弱化加强层 即文献 中 有限刚度 加强层的理念 通过改变加强层伸臂桁架斜腹杆的截面可以调整加强层的刚度 但普通钢支撑斜腹杆容易受到杆件整体稳定的限制 截面尺寸向下优化的空间有限 作为整体结构重要的抗侧力构件 伸臂桁架斜腹杆应该具有稳定的承载力和良好的延性 而传统支撑受压屈曲后刚度和承载力会急剧退化 滞 - 回曲线也存在较严重的捏拢 基于有限刚度加强层理念以及改善关键构件抗震性能的目的 拟采用屈曲约束支撑代替传统屈曲支撑作为加强层伸臂桁架斜腹杆 下文将结合工程实际 对比分析两种不同加强层伸臂桁架方案构件和整体结构的地震反应 图 % 结构剖面图 单位 "" &%3$$, # '"" ) 屈曲约束支撑 简介 传统屈曲支撑 A# /3!"$!/$ 简称 A!! 受压承载力小于受拉承载力 支撑受压屈曲会对结构的刚度 承载力与抗震性能造成不利影响 有学者提出了一种受压时不发生屈曲的轴力构件即屈曲约束支撑!"$ / #!/$ 简称!! 在国内已得到了 -* 广泛应用 屈曲约束支撑一般由 部分构成 承受轴力的核心耗能支撑 提供侧向约束作用的外套筒钢 管 减小摩擦力的无黏结填充材料 如图 所示 图 所示为屈曲约束支撑与普通支撑滞回曲线示意图 与普通屈曲支撑相比 屈曲约束支撑具有拉 压承载能力相当 延性与滞回性能好的优点 既可以为结构提供较大的刚度和承载力 又可以通过钢材屈服耗散地震能量以保护其余构件和整体结构 是一种优良的结构抗震 构件 可以预料 建筑结构应用屈曲约束支撑以后 将具有优于普通结构的抗震能力 建筑物将具有适当的刚度 地震作用相对较小 建筑物的刚度在支撑屈服后不会突然下降 结构整体延性较好 建筑物在中震和大震作用下将具有良好的耗能减震能力 主体结构损伤 较轻

3 第 期航天科技广场加强层伸臂桁架方案研究 图 ( 6 与普通支撑轴力 / 位移关系 &( /,#"'$0 6 ' 构布置如图 所示 核心筒 向尺寸较小而 向尺寸较大 结构 向刚度满足相关规范层间位移角限值而 向刚度偏 弱 因此 仅在 向布置 道伸臂桁架 向不作加强处理 图 典型楼层结构平面图 单位 "" &,#,#' '"" 图 * 加强层伸臂桁架设置图 &*,#'!'! $ 在满足相关规范层间位移角限值的前提下 确定普通支撑方案与!! 方案斜撑截面!! 方案斜撑采用 十字型芯材 板厚度为.. 高度为.. 普通支 撑方案采用方钢管斜撑 截面边长为.. 层 层的钢管壁厚度为..* 层的钢管壁厚度为.. 图 6 构成及原理 & 6 ", ''' "!'" * 普通支撑方案与 方案的对比 结合建筑 层 层 * 层 个避难层设置加强层 结 *( 结构动力特性表 列出了两种方案结构动力特性对比!! 芯材截面积较普通支撑小 因此结构整体刚度相对弱化 向平动周期增大了约 &!! 方案小震作用下 向层间位移角与普通支撑方案相比增大了约 > 如图 + 所

4 建筑钢结构进展第 卷 示 两种方案的 向结构均布置均不变 因此结构 向动力特性以及地震作用下层间位移角基本一致 表 所示为小震作用下结构基底剪力 由于塔楼风荷载较大!! 方案的截面大小受到正常使用状态风荷载效应的限制 对比可知!! 轴向刚度与普通支撑相比稍小 小震作用下当支撑均处于弹性状态 两种方案振动特性相差不大 两者基底剪力基本相同 周期方案 表 两种方案结构动力特性对比 & ) ", ' '"! ' '!" 8 8 8!! &* & &* A!! & & &+ 特性 向 向扭转 图 + 小震作用下结构层间位移角对比 &+) ", ' '/ '#$' :$'!:$- 表 % 小震作用下基底剪力 单位 -7 &%! $' :$'!:$- '-7 方案 向 向 A!! +!! *() 小震构件内力 表 所示为小震作用下加强层典型墙体剪力以及楼层 剪力 核心筒墙体编号如图 所示 由于!! 支撑截面减 小 加强层刚度弱化 楼层剪力墙所承担的剪力也相应减小!! 方案中 层 层剪力墙承担的剪力与普通支撑相比 约减小 >* 层两者承担的剪力基本相同 表 向小震作用下加强层典型墙体剪力及 楼层剪力 单位 -7 & 3!,# #' $' / ' :$'!:$- '-7 楼层 方案 桁架 -! 桁架 - 桁架 -4 桁架 -, 剪力!! + + * A!! *!! *+ * A!! +* + *!! * * A!! * + * + 伸臂桁架杆件内力如表 所示 支撑编号为其所对应的锚固墙体编号 如图 所示 对比结果表明 由于!! 支撑截面刚度的减小 其所承担的地震作用也相应 降低!! 方案中 层 层轴力与普通支撑相比减 小约 >* 层轴力减小约 > 表 向小震作用下桁架杆件内力 单位 -7 & # $$' / ' :$'!:$- '-7 楼层方案桁架 -! 桁架 - 桁架 -4 桁架 -, * *(* 大震性能对比!! + + A!! ** *!! A!! * +!! * + * A!! + 表 给出了大震作用下结构最大基底剪力 对比结果 表明!! 方案在大震作用下 方向基底剪力约减小 > 对不同结构方案大震作用下动力弹塑性反应进行了 对比分析 图 所示为大震作用下结构层间位移角 采 用屈曲约束支撑 结构刚度减小 结构层间位移角存在一

5 第 期航天科技广场加强层伸臂桁架方案研究 ( - 定程度的增大 但仍然满足相关规范限值要求 表 ( 大震作用下最大基底剪力 单位 -7 &(! $'!:$- '-7 方案 向 向 向 向 A!! + +!! + * +++* 采用普通支撑 由于构件屈曲之后将丧失承载力并导致结构刚度的突变 因此普通支撑伸臂性能目标设定 为大震不屈曲 支撑基本上不参与耗能 如果采用!! 方案 构件屈服后还会继续保持承载力 结构刚度只有轻 微程度的下降 因此!! 支撑性能目标可设定为中震弹 性 大震下!! 通过屈服耗能以减小地震反应 减轻地 震作用对结构的破坏 计算表明 大震下该塔楼!! 耗 散的能量约占总能量的 > 图 1 大震作用下结构层间位移角对比 &1) ", ' '/ '#$'!:$- + 成本对比!! 支撑外观尺寸为..<.. 采用十字型芯材 板厚度为.. 高度为.. 外套筒壁厚度为.. 单根支撑总用钢量为 & 根支撑总用钢量为 & 普通支撑外观尺寸为..<.. 采用方钢管 层和 层支撑壁厚度为..* 层支撑壁厚度为.. 单根支撑总用钢量为 &+ 根支撑总用钢量为 & 由于!! 属于专利产品 单根长. 重 的!! 需要约 +& 万元 包含安装费 单根普通支撑需要约 万元 从单根支撑综合成本来说 采用!! 支撑比采用普通支撑稍贵 结论 本文结合工程实际 探讨了采用屈曲约束支撑!! 作为加强层伸臂桁架斜腹杆的可行性及优越性 对比!! 伸臂方案与普通支撑伸臂方案分析结果 得到如下结论 采用!! 支撑作为伸臂桁架 能够很好地减轻加强层剪力突变的不利情况 改善结构整体抗震性能 采用!! 支撑 结构刚度适中 能够满足正常使 用状态的要求!! 伸臂能够设定大震屈服的性能目标 通过屈服耗能以降低大震下结构的反应 减小地震作用对结构的破坏 采用!! 支撑 支撑截面相对较小 方便建筑使用 从单根构件成本来讲!! 支撑比普通支撑综合造价稍贵 参考文献 谭伟 王文涛 韩俊 等 & 航天科技广场主塔楼超限结构设计 8& 建筑结构 - / / / 7/ 8" /&A6 -. "$" # 0./ 9 57/ / $0 3 $ $ D"/ 8&!" # "$" - 傅学怡 & 实用高层建筑结构设计 & 北京 中国建筑工业出版社 "(" 3 &/$ $/ # " # &! 1 0 / $0 $"!" # 汪家铭 中岛正爱 陆烨 译 & 屈曲约束支撑体系的应用与研究进展 28& 建筑钢结构进展 +- / 0 /. '/ / 0./ / /3 0 / / & 0 ;/$ $ / # /$0# 6 ;. 5 "$ / # /$ #5/. 28&!" # "$"

6 * 建筑钢结构进展第 卷 +- 汪家铭 中岛正爱 陆烨 译 & 屈曲约束支撑体系的应用与研究进展 28& 建筑钢结构进展 +- / 0 /. '/ / 0./ / /3 0 / / & 0 ;/$ $ / # /$0# 6 ;. 5 "$ / # /$ #5/. 28&!" # "$" +- 孙飞飞 刘猛 李国强 & 国产 8- 型屈曲约束支撑的性能研究 8& 河北工程大学学报 自然科学版 * -* " 5 " )" D / &2.; 6. / # ;. / "#3 5 #. $ 8-3; "$ / # /$ 8&8 " / , '/"/ $ $,# * -* 芮明倬 李立树 贺军利 等 & 屈曲约束支撑在古北财富中心高层钢结构中的应用研究 8& 建筑结构 ++- " :0" 0"7 8" /&"#3/ ## "$" 5 $ " # 9 0" # # /$ 8&!" # "$" 刘晴云 闫锋 汪大绥 等 & 屈曲约束支撑在磁浮虹桥站结构设计中的应用 8& 建筑钢结构进展 *+- / $ / / 8&!" # "$" *+- 李国强 孙飞飞 张杨 & 屈曲约束支撑的应用分类准则与性能标准 8& 土木建筑与环境工程 *-*+ )" D / " 5 & 0 $/ 5 $/ / #/#/ #; 5./ $ ; $ 5 $/ 5 "$ / # /$ 8& 6, / #, 6. *-*+ * 李培彬 娄宇 赵广鹏 等 & 屈曲约束支撑在北京银泰中心结构抗震设计中的应用 8& 建筑结构 ++-+ )"/ ; & " # # /$ /./ $# 5 9 5! / 8&!" # "$" ++-+ )! 建筑抗震设计规范 & 北京 中国建筑工业出版社 )! # 5. $4 5!" # &! 1 0 / $0 $"!" # 8)8 高层建筑混凝土结构技术规程 & 北京 中国建筑工业出版社 8)8 $0 $/ ; $ 5 $/ 5 $ "$" " / 4/ " /& 0 /;; $/ 5 5 /!" # &! 1 0 / $0 $"!" # "$ / # /$ "$"/ # 5 7 D / 上接第 %+ 页 /6#/ # 44 & "$ "#3 50 0/6 " / # 0 5 ; 5 / # /. 9 0 # ; 0/; 8&8 " / 5 "$ / /$0 + - /6#/ # 4 4 & A;. / 5 6 ; $/ 3- / # 9 ; 0/; 5 ; 5 / # /. 8&8 " / 5 "$ / /$0+ *- 罗文君 & 不同孔况下蜂窝梁的整体稳定分析 4& 湖南 湖南大学 + 宋涛炜 童乐为 陈以一 等 & 大尺度矩形孔钢梁设计方法 8& 建筑结构学报 *-* / /& 0 # 35 # 5 # 9 0 / $/ "/ ; 8& 8 " / 5!" # "$" & *-* 冯春燕 于大永 & 圆孔蜂窝梁的弯扭屈曲分析 8 工业建筑 增刊 - 0" 4/3 & /3 55 "/- / "$ 5 $ $ -$/ / # /. 8 & 2 #" / "$ ";;&- * )& / / /$ 5$ ". / # /. 8&, * +- ' 0 $ 4 #/ 4& / /- / "$ 5 $/ / # /. 8& 0 "$"/, * - 0 0/0 & /# 5/$ / /- / "$ / $$/ / # /. 88 " / 5 "$ / /$0 -* 罗烈 于合勇 & 六边形孔蜂窝梁腹板的屈曲性能分析 8& 建筑钢结构进展 &!"$ / / / / ; 5$/ / # /. 8&!" # "$" & " #/. / 5 /. /$ 8&, 8 " /- %/ /0/ ' &2 / $ "$ 5 /. 9 0 $ / / / 8&8 " / 5 "$"/, **+*- %/ 8 /0/ ' & / / / / / $ / / "$ 8&8 " / 5"$"/, ** +- + ' 0 $ 4 &!/$ D". 5 / / 3 " / # /. 8&8 " / 5 "$ / /$0&**+-! 2 $&! "./ "/ & #/ 4' 0 $ 4 & / ". # 5 $/ / # /. 8&8 " / 5 "$ / /$0 * *-

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