巨型框架的穩(wěn)定性釋義

摘要：本文將巨型框架拆分為一二級框架，通過對其進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，闡述了巨型框架體系與一般雙重抗側(cè)力體系的關(guān)聯(lián)，進而從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的角度定義了巨型框架。

1引言

巨型框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛的運用到實際工程中。巨型框架一般分為外框架（或稱為一級框架）和內(nèi)框架（二級框架）。一級框架由巨型梁、柱組成，承擔了大部分的水平和豎向作用。傳力路徑簡單明確，而且內(nèi)部空間容易劃分，能滿足比較復雜的建筑功能要求（如大空間無柱中庭，展覽廳），是超高層復雜結(jié)構(gòu)較好的選擇方案之一。巨型外框架的梁柱一般都由巨型桁架組成，巨型梁的位置可以設(shè)置在設(shè)備層或避難層。巨型框架的每個巨型層內(nèi)部可以設(shè)置內(nèi)框架結(jié)構(gòu)，以承擔各層樓面的荷載，并將樓面荷載傳遞給外框架的梁和柱。現(xiàn)今的實際工程中，巨型框架體系主要用于建筑平面比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)。如：北京電視中心，日本NEC大樓，日本東京市政大廈，臺北國際金融中心等。圖1為日本東京市政廳大廈的兩方向的剖面圖，可以看出，這是比較典型的巨型框架結(jié)構(gòu)，外框架梁柱都由巨型桁架組成，內(nèi)部大空間比較多，由于底部幾層為大空間，因此巨型框架將承擔幾乎全部的豎向荷載，水平荷載產(chǎn)生的底部剪力和傾覆力矩也基本有巨型框架承擔。

圖1日本東京市政廳大廈

2 單層巨型框架穩(wěn)定性分析

一般的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)比較明顯的分為二個子結(jié)構(gòu)，如框架—剪力墻，框架—支撐，框架—核心筒。兩個結(jié)構(gòu)的相互作用是通過剛性連桿連接實現(xiàn)的，如圖2。而雙重抗側(cè)力體系的整體屈曲荷載可以看作是兩個子結(jié)構(gòu)的屈曲荷載的簡單疊加。雖然巨型框架在結(jié)構(gòu)布置上不像一般雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)那樣分為比較明顯的二個結(jié)構(gòu)體系，但是從受力特征上，兩者具有很大的相似之處。

一般的雙重抗側(cè)力體系總是有一個抗側(cè)剛度比較大的結(jié)構(gòu)來承擔大部分的水平力作用，如框架—剪力墻體系，剪力墻結(jié)構(gòu)一般承擔最少80%以上的水平力。而框架只承擔10%左右的水平力，框架相當于靠在剪力墻之上。支撐架有足夠大的抗側(cè)剛度對框架提供支援，從而保證框架單獨發(fā)生失穩(wěn)的模式為無側(cè)移屈曲。巨型框架結(jié)構(gòu)所以稱之為巨型框架，就是希望巨型外框架（一級框架）承擔大部分的水平力，而內(nèi)框架（二級框架）不承擔或者很少承擔水平力作用。事實上，實際工程中，一級框架的抗側(cè)剛度遠大于二級框架抗側(cè)剛度。因此從這個意義上來講，巨型框架體系也是雙重抗側(cè)力體系。

那么巨型框架整體失穩(wěn)時是否呈現(xiàn)類似的如雙重抗側(cè)力體系一樣的屈曲荷載簡單疊加的性質(zhì)呢？下面通過幾個有限元算例進行分析。一級框架相當于剪力墻或者支撐架，二級框架相當于一般雙重抗側(cè)力體系中的框架部分。首先介紹幾個巨型結(jié)構(gòu)和雙重抗側(cè)力體系相關(guān)模型。

模型1（圖3）是單層巨型框架，二級框架的柱距為，整體寬度為，層高為，總高為。

模型2（圖4a）是巨型外框架（一級框架），一級框架承受大部分水平荷載，穩(wěn)定分析中，一級框架依靠自己的較大的抗側(cè)剛度（正剛度）抵抗了大部分豎向荷載的剛度（負剛度）。并對內(nèi)框架（二級框架）提供支援。

圖4b是巨型內(nèi)框架（二級框架），邊梁端部可以滑動不能轉(zhuǎn)動，柱頂用剛性連桿鏈接，可以滑動不能轉(zhuǎn)動，以此模擬一級框架對其約束。

圖5是雙重抗側(cè)力體系。模型I中，一級和二級框架以剛性鏈桿鏈接，不考慮二級柱子對整體巨型框架的作用。

圖2 雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu) 圖3 巨型結(jié)構(gòu)示意圖（模型1）

（a）一級框架（模型2） （b）二級框架模型

圖4 巨型框架結(jié)構(gòu)的一、二級框架模型

雙重抗側(cè)力體系模型I

圖5 雙重抗側(cè)力體系模型

考慮巨型框架的穩(wěn)定性是否有雙重抗側(cè)力體系的性質(zhì)，我們研究圖3的單層巨型框架結(jié)構(gòu)是否能等效為圖5所示的雙重抗側(cè)力模型，進而考察整體結(jié)構(gòu)的屈曲荷載是否等于一級框架屈曲荷載與二級框架屈曲荷載之和。

采用通用有限元程序ANSYS建模，考慮剪切變形一二級框架梁柱均采用beam189單元。建立兩個巨型框架的模型，變化其梁柱參數(shù)，考察其失穩(wěn)時一、二級框架的相互作用。算例中通過變化腹板的厚度，考慮剪切變形對整體結(jié)構(gòu)屈曲荷載的影響。算例一：柱距，總寬度，層高，總高。梁柱均為H型鋼。巨框算例二：柱距，總寬度，底層層高為8，其余層高6，共10層，總高為。梁柱均為H型鋼。

表1 算例一截面尺寸

截面編號一級框架梁一級框架柱二級框架梁二級框架柱

1H2000x1400x50x120H4000x2000x100x200H600x300x12x20H700x400x15x22

2H2000x1400x5x120H4000x2000x100x200H600x300x12x20H700x400x15x22

3H2000x1400x5x120H4000x2000x10x200H600x300x12x20H700x400x15x22

4H1500x1000x5x80H3500x1800x10x150H600x300x12x20H700x400x15x22

5H1000x500x5x30H3500x1800x10x150H600x300x12x20H700x400x15x22

6H1000x500x5x30H3000x1000x10x50H600x300x12x20H700x400x15x22

表2 算例二截面尺寸

截面編號一級框架梁一級框架柱二級框架梁二級框架柱

1H2000x1400x50x120H4000x2000x100x200H600x300x12x20H700x400x15x22

2H4000x2000x50x120H6000x2000x100x200H600x300x12x20H800x400x15x22

3H4000x2000x50x120H4000x2000x10x200H600x300x12x20H700x400x15x22

4H3500x2000x30x100H5000x2000x50x180H600x300x12x20H800x400x15x22

5H3500x2000x50x120H4000x2000x10x200H600x300x12x20H700x400x15x22

6H4000x2000x30x100H5000x2000x50x180H600x300x12x20H800x400x15x22