大连中国石油大厦结构方案优化设计.pdf

镕一十月垒囤高层建筑结构学术会H ＆女2 0 0 8 年 大连中国石油大厦结构方案优化设计 张小冬刘界鹏 日 I Ⅱ ≠4 ∞t * W E R ，目≈* 1 5 。0 9 。 摘要丈 中国石油太隧主体结构地T4H ，m 上4 9 目，高度为1 9 8 m 。结目自茼为铜筋* * 简体；结构“ № T4 层至2 层为框架．3 层{ 4 5 目* 变X 桁颦筒 ．∞* 构在地F4 9 i2 B ∞框架- M 体结构．3 4 9 层为筒中简蛄 掏因此车结构届超高目复杂结构。 空j 4 铜结构* 筒自* ‰凝士内简、镕舫* 凝上外筒- 镕筋* 箍f 筒、目管％ J 外筒钢筋混凝土山简、钢结构外筒销结构自倚 镕框架 内目板支撑％凝剪m 墙简体 、混合外简 1 0 H “T 为 目管混凝土，其他为锅结构 一锕筋％凝i 内筒i 种结构 系Ⅳ式进行T 分析。分析结果表明，自丁外简具有根强的* “ 月螭，目此 结自在投 巾自蝇童控Ⅻ月非变m 控制。5 种结构 形式中，渑卦简筋％凝十自筒镕目 系％ ∞ 受m 性能 ＆济性能难优越a 针对％讣筒- 钢筋％* 土内筒结构体系* 式进行T 结构质量分审偏n 响丹析、结构E 倒 塌能力* 析、结构性分析等女面的研究研E 结果表叫．变卫桁架外简- Ⅻ筋泡凝t 内简结构体系目* 根好的抗侧Ⅻ抗 a 剧鹰，抗倒届性膀始越；f 日蚪简桁靠轩伴H 罡辅山为主，结拇镕俸性硝差．若外筒边镕 震雕眦Ⅻ月∞i 代替 自管射柱，Ⅲ 构将具有更优越的变形n A 靴≈性。 * 键目交叉桁架，框架简体镕构，简中∞结构．n ．抑制月旺f j 立撵 1 工程概况 大连中国石油大厘位于大连市里海广场北 侧，总建筑面秘9 2 8 4 4 平方米．其中包括群房部分 和主伴结构部分群房部分地下i 层．地上4 层， 土体结构部分地下4 层．地上4 5 层刚1 为人连 中国石油大厦的效果图，图2 和图3 分别为一层、F 面囝和标准层平面围，结柯平面布置中有较多的单 侧大扦洞，造成结构整体质量偏心。丰体结构地上 部分高1 9 8 Ⅲ，属超高层结构。t 体结构内筒为钢筋 混凝土筒体结构卅框地下4 层车2 层为框架．3 ；镩{ r 圃办j 层至4 5 层为交叉桁 架筒体．即结构在地 下4 层至2 层为框架 一筒体结构．3 至4 9 层为筒中筒结构；外 围结构从第3 层开始 由框架结构体系转 焉_ i 弱 i _ - 目；；摹- i 自￡ 固1 大厦效果囤 固2 层平面围 换为桁架筒体结构体系．因此本结构属超高层复杂结构‘1 】 奉工程结构设计使用年限为5 0 年，结构安争等级为二级，抗震设 囤3 标准层平面图 防类别为丙类。甚本风压按1 0 0 年一遇艘计基术风压为07 5 拧J ，m t ，地面 ※十- 女一f 9 ∞i 2 日t ，』t 日．蜮* * I 酬目g ～g ＆* g 舡程肝 薷 第 十B 目高层建筑结构学术台Ⅸ论女2 ∞84 粗糙度类别为B 类；害压按5 0 年一遇，基率雪压04 k N ，m ’抗震设防烈度为7 度，设计基术地震加速 度值为0 l g ，场地光别为I l 燕。 2 结构体系优化分析 主体结构可采用的结构体系方案为钢结构外筒钢筋涅 凝上内筒、钢筋混凝土外筒钢筋混凝土内筒、钢管湿凝} 外 筒钢筋混凝十内筒、钢结构外简钢结构内筒 钢框架十内 械制板支撑混凝上剪力墙简体 。本文首先对以上网种结构形 式进行了分析对比结构分析软什为大型通用设汁软件 E 1 A B s 。主要分析挣种结构形式的顶点位移、层问最人位移、 风荷载作用下的顶点撮大加速度、材料用量、土体结构自重等 参数。分析结果表明，以上四种结构体系形式备有小足；本文 针对此结构体系形式提出了混合外筒一铡筋混凝L 内简结构 体系形式的优化方章；混合外筒形成为地下4 屠至1 0 层为钢 管混凝十外筒．超过1 0 层为纯钢结构外筒。 21 钢结构外简钢筋混凝土内简结构体系 图4 为E 1 妯s 结构分析模型，图5 为结构外筒市向罔，主体结构在2 层以下 为外钢框架- 内混凝上简体结构．土体结构 从3 培开始变为外锅桁架筒件一内混凝上 筒体结构。结构分析中将地下室柱脚嵌同， 主体结构杠子在地下一层顶部限制柑点沿 x 方向和v 方向的平动．月结构分析中群 房部分全部采用铡筋混凝十结构 以下其 它结构形式相同 。 地下4 层和地上2 层的外框架柱为钢 结构箱型柱，柱子截面尺寸为1 2 0 0 6 0 0 5 0 叫。从3 层开始，外框架变为钢结构 桁禁简体，桁架简体杆件采用三种制结构 箱型截面；3 乍15 层为6 0 0 6 0 0 2 0 m m ， 图4 结构分析槿型图5 外筒立面图 a 一阶横恋 b 二阶模态 c 三阶模恋 图6 结构的前三阶模态 1 6 事3 1 层为6 0 0 6 0 0 1 6 帆3 2 至珂层为6 0 0 6 0 0 1 4 一，框架柱和3 至3 l 层的桁架筒体杆件 的钢材型号均为Q 3 4 5 B ，3 2 层以上的桁架筒体采用Q 2 3 5 B 钢材。地F4 层至地} 1 0 层核心筒的外墙 厚度为5 0 0 一，硅粱高度为6 0 0 一，剪力上啬的厚度山轴压比控制．对于二级剪力墙，重力荷载代表值 作用下墙的轴压比限值为06 c 4 0 混凝土 ；地r 1 0 层定l5 展剪力墙外墙的厚度为4 0 0 l I l 【n ，1 5 层至 3 1 层舅力墙的厚度为3 0 0 m m ，3 2 层至4 4 层剪力墙的J 鄂蔓为2 0 0 ⋯内筒的内隔墙厚度都为2 0 0 m m ， 轴压比为0 4 以下。 由模奄分析得到的前三阶模态如图6 所示，’阶模态绕直角对角线平动，二阶模态绕凹角对角线 平动，三阶模态为整体扭转，其相应的周期见表l 。 风茼载分析中采用的第周期来源为结构的模态分析，结构的阻尼比取0 0 3 5 。风荷载作用下，结 拘沿两个方向的变形均为弯曲变形，Y 方向的风载起控制作用，其结构】页层位移为1 5 36 7 m m 风荷载 作用下的顶点侧移率、结构的层和一层的层间位移角见表1 ，均满足要求。 寨鎏瓣骥 重≯k 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 地震效应分析采用振型分解反应谱法，结构的场地类别为I I 类，阻尼比为O ．0 3 5 ，场地特征周期为 O ．3 5 ，地震影响系数最大值为O ．0 8 ，由于结构的隔墙很少，因此取周期折减系数为l 。模态分析结果表 明，结构的最弱方向为对角线方向，因此在计算结构的地震效应时水平地震荷载方向的激励角度为4 5 。。地震荷载作用下结构的顶层位移为1 2 9 ．4 l 毫米，相应的顶点侧移率、结构的一层和二层层间位移 角见表l ，均满足要求。 风荷载作用下结构的顶点加速度计算结果见表l ，均满足要求，但横风向风振的加速度已经逼近规 范限值 0 ．2 8 州s 2 。 分析结果表明，在桁架筒的底部受压翼缘个别杆件应力超限，较多杆件的应力水平很高，应力比 超过0 ．8 ；且在楼板大开洞处，杆件的平面外计算长度系数很大，杆件由稳定控制，难以保证结构的整 体安全可靠。 由表1 分析结果可看出，结构的整体变形很小，远远满足规范要求，但结构在桁架简体底部杆件 的应力水平很高因此本结构具有很好的抗侧刚度，结构设计中将由强度控制而非变形控制。 2 ．2 钢筋混凝土外筒一钢筋混凝土内简结构体系 主体结构在2 层以下为外钢筋混凝土框架．内钢筋混凝土筒体结构；主体结构从3 层开始为外钢筋 混凝土桁架筒体一内钢筋混凝土简体结构。地下4 层和地上2 层的外框架柱为钢筋混凝土柱，柱子截面 尺寸为1 2 0 0 1 2 0 0 m m ，底层柱的轴压比控制在0 ．4 左右 C 6 0 混凝土 。从3 层开始，外框架变为混凝 土桁架简体，桁架筒体杆件采用三种尺寸的截面3 至1 5 层为8 0 0 8 0 0 蚴，1 6 至3 1 层为8 0 0 7 0 0 m m ， 3 2 层至顶层为8 0 0 6 0 0 I 衄。核心筒的布置方式与钢结构外筒．钢筋混凝土内筒结构形式相同 以下皆 相同 。 结构的前三阶模态同3 ．1 方案，其周期见表1 。 风荷载分析中结构的阻尼比取0 ．0 5 。风荷载作用下，结构的顶层位移为1 2 7 ．3 5 m m ，其顶点侧移率、 一层和二层层间位移角均满足要求。 表1 五种结构体系形式的分析结果对比 钢结构外筒一混凝土外筒一钢管混凝土外筒一钢结构外筒一混合外筒一 名称 混凝土内筒混凝土内筒混凝土内筒 钢结构内筒混凝土内筒 结构前三周期 s 4 ．2 2 ，3 ．9 2 ，1 ．3 74 ．0 0 ，3 ．7 1 ，1 ．4 63 ．7 7 ，3 ．5 2 ，1 ．3l3 ．5 7 ，3 ．3 4 ，1 ．6 64 ．0 4 ，3 ．7 3 ，1 ．3 6 风荷载顶点位移角 l ／1 3 0 l 1 ／1 5 7 0l ／9 4 2l ／1 6 7 l 风荷载一层层间位移角 l ／1 3 8 7l ／1 0 0 1l ／1 4 5 7l ／1 3 2 61 ／1 5 1 2 风荷载二层层间位移角 1 ／2 2 0 71 门8 0 51 ／2 4 9 ll ／7 7 ll ／2 6 8 5 顺风顶点加速度 n 1 ／s 2 0 ．0 9 8 O ．0 6 4O ．0 9 2 0 ．1 3 70 ．0 9 6 横风顶点加速度 m ／s 2 0 ．2 6 50 ．2 3 2O ．2 2 20 ．2 6 4O ．2 5 3 地震荷载顶点位移角 l ／1 5 4 5l ／1 6 5 21 门5 0 61 ／1 2 7 71 ／1 6 1 2 地震荷载一层层问位移角 1 ／1 5 4 8l ／1 7 5 4l ／1 8 0 81 ／1 6 0 7l ／1 8 0 8 地震荷载二层层间位移角 l ／2 5 4 4l ／9 7 l1 ／3 0 1 21 ／9 2 1 1 ／2 9 3 9 桁架筒底部最大轴压比 l O ．7 5O ．6 桁架筒底部平均轴压比 0 ．7 9O ．6 20 ．4 结构混凝土总用量 m 3 2 0 7 4 83 1 0 2 72 5 5 9 01 4 7 0 5 2 2 1 8 8 结构钢材总用量 t 5 6 1 84 7 2 79 0 2 64 7 2 7 主体结构平均用钢量 k ∥m 2 7 9 ．86 7 ．11 3 1 ．26 7 ．1 组合楼盖用钢鼍 k ∥m 2 2 52 52 5 2 5 注在对比分析时，所有的结构形式群房都采用钢筋混凝土框架结构，且所有结构形式的群房部分完全相同，只对比 主体结构。表中的混凝土用量都包括裙房部分，钢材的平均用钢量为主体塔楼的平均用钢量，组合楼盖用钢量为楼面体 系采用密肋组合楼盖的用钢量。 - 2 0 2 ． 第一二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 8 年 地震效应分析时阻尼比取为0 ．0 5 。地震荷载作用下结构的项层位移为1 2 1 ．1 2 毫米风荷载作用下 结构的顶点加速度计算结果见表1 ，均满足要求。 分析结果表明，底层柱的轴压比控制在0 ．4 左右 C 6 0 混凝土 ，而3 层局部斜杆的轴压比将达到l C 6 0 混凝土 ，难以满足抗震要求；下部两层桁架杆的平均轴压比也介于0 ．7 至0 ．8 之间。试验研究结 果表明，对于钢筋混凝土压弯构件，当构件的轴压比超过0 ．5 后，构件的延性迅速下降，这是因为在高 轴压比条件下，构件在轴力和弯矩共同作用下受压边缘纤维压应变很大，当压应变超过混凝土的极限压 应变后，混凝土被压碎，导致构件的保护层剥落和纵筋失稳，构件迅速失去承载能力。因此对于此种结 构形式，若外筒采用钢筋混凝土杆件，冈构件在底部几层的轴压比普遍偏大，因此地震作用下结构的延 性将很差。同时，本结构中如果采用钢筋混凝土桁架筒体结构，则桁架杆件交叉节点处钢筋分布很密， 不利于混凝十浇筑，且桁架杆件以受轴压力为主，节点需承受单独杆件的双倍轴力，因此需将节点区扩 大，进一步增加了施T 难度。因此本结构若采用钢筋混凝土桁架外筒，则结构抗震性能较差，且施工速 度慢，施工质量难以保证。 2 ．3 钢管混凝土外筒一钢筋混凝土内筒结构体系 主体结构在2 层以下为外钢管混凝土框架．内钢筋混凝土筒体结构；主体结构从3 层开始为外钢管 混凝土桁架简体．内钢筋混凝土筒体结构。 地下4 层和地上2 层的外框架柱为钢管混凝土柱，柱子钢管截面尺寸为1 2 0 0 6 0 0 3 0 咖。从3 层开始，外框架变为钢管混凝土桁架筒体，桁架筒体杆件采用三种尺寸的截面3 至1 5 层采用的钢管 截面尺寸为6 0 0 6 0 0 1 6 m m ，1 6 至3 l 层为6 0 0 6 0 0 1 4 m m ，3 1 至4 4 层为6 0 0 6 0 0 1 2 m m 。 结构的前三阶模态同3 ．1 方案，其周期见表l 。 风荷载分析中结构的阻尼比取0 ．0 3 5 。风荷载作用下，结构的顶层位移为1 1 0 ．6 0 删[ n ，其顶点侧移率、 一层和二层层问位移角均满足要求。 地震效应分析时阻尼比取为0 ．0 3 5 。地震荷载作用下结构的顶层位移为1 0 6 ．1 8 毫米，结构的顶点侧 移率、一层和二层层问位移角见表1 ，均满足要求。 风荷载作用下结构的顶点加速度计算结果见表l ，均满足要求。 分析结果表明，3 至4 层斜杆的最大轴压比为0 ．7 9 C 4 0 混凝士 ，此两层的平均轴压比为0 ．6 2 左 右，对于方铡管混凝土压弯构件，当轴压比超过0 ．6 时构件的延性和耗能性能较差【2 1 ；因此外筒采用完 全钢管混凝土结构难以保证结构在水平地震荷载作用下具有很好的延性和变形能力。 2 ．4 钢结构外筒一钢结构内简结构体系 钢框架 内藏钢板支撑混凝土剪力墙简体 主体结构在2 层以下为钢框架．内藏钢板混凝土剪力墙简体结构；主体结构从3 层开始变为钢桁架 外筒一内藏钢板混凝土剪力墙内筒结构体系。图9 为钢结构外筒一内藏钢板支撑混凝土剪力墙内筒的结 构分析模型。外筒2 层以下的外框架柱为箱犁钢结构柱，柱子钢管截面尺寸为1 2 0 0 6 0 0 6 0 m m 。从 3 层开始，外框架变为钢结构桁架筒体，桁架筒体杆件采用三种尺寸的截面3 至1 5 为6 5 0 6 5 0 3 6 衄， 1 6 至3 1 层为6 5 0 6 5 0 2 5 I 砌，3 l 层以上为6 5 0 6 5 0 1 6 m m 。核心筒在l 至1 5 层采用的箱型柱截 面为5 0 0 5 0 0 3 0 m m ，1 6 至3 1 层为4 0 0 4 0 0 3 0 删[ I l ，3 l 层以上为3 5 0 3 5 0 2 0 m m 。核心筒支撑 截面为扁钢，1 至1 5 层支撑扁钢截面为3 5 0 2 5 I 砌，1 6 至3 l 层3 0 0 2 0 m m ，3 1 层以上为2 5 0 1 6 删[ I l 。 由于内藏钢板混凝土剪力墙的支撑杆件为拉压支撑，因此在结构分析中只需在结构布置中设置一个两端 铰接的拉压杆，而将混凝土部分作为荷载直接布置在节点上即可。 结构的前三阶模态与3 ．1 方案相同，其周期见表1 。 风荷载分析中结构的阻尼比取0 ．0 2 。风荷载作用下，结构的顶层位移为2 1 0 删n ，其顶点侧移率、 一层和二层层问位移角均满足要求。 地震效应分析时阻尼比取为0 ．0 2 。地震荷载作用下结构的顶层位移为1 5 5 毫米，结构的顶点侧移率、 一层和二层层间位移角见表l ，均满足要求。 ．2 0 3 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 风荷载作用下结构的顶点加速度计算结果见表l ，均满足要求。 由表1 中的计算结果可看出，钢结构外筒．钢结构内筒结构体系的性能优越，但纯钢结构体系的主 体结构用量为1 3 1 ．2 k 咖2 ，远高于其它结构体系性能，经济性能较差。 2 ．5 混合外筒一钢筋混凝土内筒结构体系 在对前4 种结构体系进行综合分析的基础上本文提出了混合外筒一钢筋混凝土内筒的结构体系优化 方案。主体结构在地下4 层至地上2 层采用钢管混凝土外框架．内钢筋混凝土筒体结构；柱子钢管截面 尺寸为1 2 0 0 6 0 0 3 0 舢I l ，底层柱的轴压比在0 ．5 以下 C 4 0 混凝土 。从3 层开始，外框架变为混合 桁架筒体，桁架筒体杆件采用三种尺寸的截面3 至1 0 层采用钢管混凝土桁架简体，钢管截面尺寸为 6 0 0 6 0 0 1 6 删【n 。1 0 层以上采用钢结构桁架简体，其中1 1 至1 5 层采用的钢管截面尺寸为6 0 0 6 0 0 1 6 m m ；1 6 至3 1 层为6 0 0 6 0 0 1 4 m m ，3 2 至4 4 层为6 0 0 6 0 0 1 2 m m 。核心钢筋混凝土筒与前三 种方案相同。 结构的前三阶模态与3 ．1 方案相同，其周期见表l 。 风荷载分析中结构的阻尼比取0 ．0 3 5 。风荷载作用下，结构的顶层位移为1 1 9 ．6 8 删[ n ，其顶点侧移率、 一层和二层层间位移角均满足要求。 地震效应分析时阻尼比取为0 ．0 3 5 。地震荷载作用下结构的顶层位移为1 2 4 ．5 7 毫米，结构的顶点侧 移率、一层和二层层间位移角见表1 ，均满足要求。 风荷载作用下结构的顶点加速度计算结果见表1 ，均满足要求。 根据计算结果，混合外筒桁架底部斜柱的最大轴压为0 ．6 0 C 4 0 混凝土 ，3 至l O 层的平均轴压比 为0 ．4 左右，能够保证结构在地震作用下的延性和耗能要求。 由计算结果可见，跟钢结构外筒相比，采用混合外筒结构可有效节省钢材用量，降低结构的顶点横 风加速度。与钢管混凝土外筒相比，结构体系的整体刚度降低，吸收的地震作用较小，钢管混凝土杆件 的最大轴压比不超过O ．6 ，能够保证结构整体在水平地震作用下的延性。 3 结构精细化分析 本文针对选定的混合外筒．钢筋混凝土内筒结构形式进行了精细化分析，分析了结构质量分布偏心 的影响、结构的抗倒塌性能和结构的延性和变形能力。 3 ．1 结构质量分布偏心影响分析 由于建筑平面的要求，结构在楼面有很多大开洞 图2 ，相邻楼层质量之比已超过1 ．5 ，属竖向不 - _ -■- a 失效前柱杆件轴力 c 中柱失效后杆件轴力 b 边柱失效后杆件轴力 图7 结构底层框架柱局部失效前后杆件轴力对比 ．2 0 4 一 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 规则结构且所有楼面开洞从下至上都集中在一侧，从而导致结构的重力荷载偏心，结构产生偏移，接 近平面不规则结构。计算结果表明，恒荷载和活荷载的标准组合作用下，结构顶层沿X 方向的偏移为 ．1 ．6 6 I I l 】m ，而沿Y 方向的偏移为2 2 ．8 8 毫米。由于建筑质量中心与物理中心偏心产生的结构整体横向位 移仅为l ／1 0 0 0 0 ，可基本不考虑其影响；说明外桁架筒体的整体抗弯和抗扭刚度很大，对楼盖开洞造成 的平面和竖向不规则的影响不敏感。 3 ．2 结构抗倒塌能力分析 文献[ 3 】指出，在结构的抗连续倒塌设计中，应保证结构尽量多次的超静定，从而保证在结构局部 失效后能能保持一定的抗力不形成连续倒塌的严重破坏。本结构外筒为低层框架结构，上部为桁架筒体 结构，因此上部结构为多次超静定的结构形式，抗倒塌能力较强，而底部的框架结构的超静定次数相对 较少，且底部的框架柱为主要的竖向承重构件，底部框架一旦失效则结构将在局部失去承重构件，有可 能导致结构的局部倒塌。本项目分析了底部单个框架柱失效对结构整体的内力影响，根据内力重分布规 律提出了本结构的抗倒塌设计建议。在结构的抗倒塌性能分析中的主要方法为计算底部单根框架柱完全 失效后结构的内力与框架柱失效前的内力进行对比。具体分析方法为，假定某根框架柱失效，则在建模 中将此框架柱删除，然后进行结构内力计算。 图7 a 为荷载标准组合作用下外筒杆件的轴力图，图7 b 和 c 分别为荷载标准组合作用下 底层框架中柱和边柱失效后杆件的轴力图。由图中可看出，一根中柱失效后，与中柱相邻的两根框架柱 轴力明显增加，而与两相邻柱相连的两根斜撑的轴力也明显增加。计算结果表明，相邻框架柱的轴力增 加幅值约为2 8 ％，而斜撑的轴力增加幅值为4 5 ％。模型中采用的混合外筒结构体系形式在底部采用钢 管混凝土柱和钢管混凝土斜撑，因此对于框架柱，轴压比将从0 ．5 左右增加至0 ．6 5 左右，因此框架柱不 会破坏或发生较大的不可恢复变形，灾害后进行修复则结构能够正常使用。中部斜撑在框架柱失效前的 轴压比也是O ．5 左右，则中柱失效后中部斜撑的轴压比增至0 ．7 2 左右，斜撑也不会破坏或发生严重的塑 性变形。根据以上分析结果，框架中柱失效后结构不会发生严重的破坏或倒塌，这是因为结构的斜撑将 失效柱的竖向荷载均匀的传给了相邻的框架柱，而相邻框架柱的轴 压比不高，可以承担中柱失效后内力重分布产生的多余竖向荷载。 框架柱结构失效后，与失效前相比，失效点框架柱的弹性竖向位移 仅为7 n 1 】m 左右。 由图7 a 和 c 可看出，边柱失效后，相邻框架柱的轴力明 显增加，而相邻框架柱上的斜撑内力也明显增加，计算结果表明， 相邻框架柱的内力增加3 3 ％，而相邻框架柱上的斜撑轴力增加4 2 ％， 因此相邻框架柱和支撑的轴力增加也不会导致柱子和斜撑的压溃破 坏和严重的不可恢复变形，结构的抗倒塌性能良好。框架柱结构失 效后，与失效前相比，失效点框架柱的弹性竖向位移仅为7 m m 左右。 由结构的抗倒塌性能分析可知，由于本结构的外筒属多次超静 定结构体系，即使主要受力构件框架柱单根失效，也不会导致结构 的整体破坏或严重的不可恢复变形；这是因为在框架柱失效后，结 构上部的桁架杆件能够通过自平衡作用将框架柱失效前的荷载有效 的传递给周围框架柱，因此对于此种结构形式，只要有效控制结构 低层的框架柱和斜撑的轴压比就能保证结构体系具有良好的抗倒塌 性能。 3 ．3 结构延性分析 本结构在水平荷载作用下，外筒斜柱以受轴力为主，箱型截面 在罕遇地震作用下有可能产生局部屈曲现象，耗能性能和抗疲劳性 ．2 0 5 ． a 全钢管柱 蒜嚣“ 图8 结构极限状态塑性铰分布图 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 能较差。因此本文建议在杆件轴力较大的部位采用抑制屈曲支撑，提高结构在罕遇地震作用下的耗能能 力和抗疲劳性能【4 J 。本文采用S A P 2 0 0 0 进行了一榀钢结构外筒的P U S HO v E R 分析，分析结果见图8 a 。由 图8 a 町见，结构体系在侧向荷载作用下相当于一个巨型的悬臂梁，因此底层边柱首先发展塑性，普通 ’钢管柱虽然具有很大的截面惯性矩较大，长细比较小，不会发生弹性屈曲。但是当侧向力较大时也会由 于本身的截面的塑性变形过大产生较大的挠度而抗弯能力的退化，最后发生塑性失稳。同时在较大的荷 载作用下，方钢管截面的局部屈曲也会加剧其塑性失稳。如图8 a 所示，边跨的底层普通钢管柱已经形 成破坏的倒塌铰，直接造成结构破坏。图8 b 为将框架两边斜柱替换为抑制屈曲支撑后的分析结果，由 图中可见，当将两边边跨换成抑制屈曲支撑构件 后 图8 b ，由于抑制屈曲支撑本身的核心构件 只承受轴向力的作用，即使有过大的塑性变形， 也只会沿内核单元轴向均匀发展塑性，其外包约 束构件仍然处于弹性阶段，有很大的抗弯刚度， 这样构件就不会产生过大的挠度而塑性失稳，整 个结构的延性也表现得更好。图9 为全钢管外筒 与部分抑制屈曲支撑外筒结构的荷载．位于曲线对 比，由图中可看出，部分抑制屈曲支撑外筒的延 性和变形能力明显由于纯钢管截面外筒。 4 结论 O ．0O ．51 ．O1 ．52 ．0 2 ．5 顶点位移 M 图9 两种结构体系的荷载位移曲线 1 ．交叉桁架外筒．内筒形式的筒中筒结构具有良好的抗侧刚度；即使在1 9 8 m 高的超高层结构中，结构 的设计中仍然是强度控制而非变形控制，因此交叉桁架外筒．内筒结构体系形式可在更高的建筑结构中 应用。 2 ．桁架简体中杆件以受轴力为主，因此可采用钢管混凝土作为桁架简体的杆件，但全钢管混凝土筒体 的抗侧刚度过大，导致结构吸收的水平地震力大，结构延性难以保证；采用底部钢管混凝土的混合筒体 结构刚度适中，吸收水平地震力小，且结构底部杆件的应力水平不高，可保证结构的延性。 3 ．由于桁架简体结构具有优越的抗压和抗扭刚度，结构的质量分布偏心对结构的影响町忽略。 4 ．底部框架．桁架筒体结构具有良好的抗倒塌性能，但底部框架柱在荷载标准组合作用下的轴压比水平 不宜过高。 5 ．由于桁架筒体结构在水平荷载作用下以受轴力为主，因此结构的延性不足；在交叉筒体的边缘纤维 杆件中采用抑制屈曲支撑可有效提高结构的整体延性和变形能力。 参考文献 【l 】J G J3 - 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程[ S 】． 【2 】张素梅，刘界鹏等．双向压弯方钢管高强混凝七构件滞回性能试验与分析[ J 】．建筑结构学报，2 0 0 5 ，2 6 3 9 ．1 8 ． 【3 】日本钢结构协会，美国高层建筑和城市住宅理事会．高冗余度钢结构倒塌控制设计指南【M 】．同济大学出版社，2 0 0 7 ． 【4 】贾明明，张素梅．采用抑制屈曲支撑的钢框架结构性能分析【J 】．东南大学学报，2 0 0 7 ，3 7 6 1 0 4 1 ．1 0 4 7 ．