基于巨型鋼框架-混凝土核心筒結構的模型構建

徐藺

西華大學建筑與土木工程學院，四川成都611930

基于巨型鋼框架-混凝土核心筒結構的模型構建

徐藺

西華大學建筑與土木工程學院，四川成都611930

由巨型鋼框架、巨型支撐、鋼筋混凝土、伸臂桁架組成的巨型鋼框架-混凝土核心筒結構主要用于高層建筑。本文簡述其結構體系，并利用ABAQUS軟件建立了有限元模型，從而進行了本構關系分析和網格劃分。

巨型鋼框架；核心筒；有限元模型

隨著社會的發展和人口數量逐漸增多，造成城市用地局勢緊張，在越來越多的城市中，各種高層以及超高層建筑以節地的優勢成為了建筑行業的熱門，其數量也在快速增長。查閱相關資料，占地面積相同的情況下，相比于傳統的5層建筑，10層建筑節約用地28%，17層建筑節約用地48%，30層建筑節約用地40%。建筑物的層數越來越高，在對其結構進行設計的時候，首先需要對結構特性進行研究。為了解決這一問題，組合結構在高層建筑中得到廣泛的應用。巨型鋼框架-混凝土核心筒結構是最常見的組合結構，它比混凝土結構施工快、自重小、受力性能好，比單純的鋼結構防火性能好、節省材料、抗風效果好。巨型鋼框架-混凝土核心筒結構廣泛應用于亞洲。統計資料顯示，我國的高層建筑中，組合結構在150m以上的建筑中占22%的比例，在200m以上的建筑中占44%，300m以上的建筑中占67%［1］。本文主要對巨型鋼框架-混凝土核心筒結構體系進行了簡要的介紹，接著對其結構模型和有限元模型的構建進行了相關的研究，最后對其性能進行了簡單的分析。

1　結構體系構成

巨型鋼框架-混凝土核心筒結構是最近幾年才發展起來的，已經被普遍應用于高層建筑［2，3］。其組成部分分為：巨型鋼框架，巨型支撐，鋼筋混凝土，伸臂桁架。

巨型鋼框架-混凝土核心筒結構的整體工作性能要遠遠大于單結構性能累積，其中各個組成部分分別發揮了不同的作用。巨型鋼框架由主次框架組成。位于主框架之間的次框架結構由普通鋼結構的梁柱組成，主要作用是輔助主框架、在地震中進行緩沖以及縱向載荷的傳遞。主框架則由建筑四周的巨型柱和固定樓層所建造的巨型梁構成。為了能將外框所承受的軸向力用來加強結構的抗側剛度。明確傳力路徑，整個結構中的加強層由伸臂桁架和巨型梁構成。在實際應用中，為了提高外框架的剛度，大多數建筑都采用巨型支撐結構，在外框架的剛度達到一定程度時，減少巨型梁下面的次支撐柱的數量，在不影響框架剛度的情況下，樓層的面積得到大幅度的提高，建筑效果得到加強。

巨型鋼框架-混凝土核心筒組合結構體系中，鋼框架的材料強度較高，能夠承受一定的縱向載荷，混凝土核心筒良好的抗側剛度使得組合結構具有良好的抗風強度和抗震強度。

2　結構模型構建

為了能夠方便地對巨型鋼框架-混凝土核心筒結構進行研究，參考上海市浦東金橋開發區的新金橋大廈［4］來建立三維模型。模型總高度為256m，結構共有64層，每層高4m，在第16、32、48、64分別設置巨型梁和伸臂桁架，平面布置圖如圖1所示。設置六個模型，分別為普通巨型框架模型Ma，X巨型支撐模型Mx，V型巨型支撐模型Mv，去除Mx和Mv中巨型梁下層次柱后的Mxc，Mvc，模型的軸立圖如圖2。

圖1　平面布置圖Fig.1 Layoutof plan

圖2　模型軸立圖Fig.2Themodelw ith verticalaxis

巨型鋼框架-混凝土核心筒結構中，外框架（包含支撐、梁、柱）的材料為純鋼，確定鋼材為Q235，密度ρ=7.85 g/cm3，彈性模量E（GPa）為200～210，泊松比v為0.25～0.33，抗拉強度σb/MPa為375～460。而核心筒采用混凝土結構，混凝土為C60，密度ρ=2400 kg/m3，泊松比v=0.2，在鋼筋的采用上，箍筋選擇HPB300，樓板和墻體采用HRB400。鋼筋混凝土與鋼梁的鉸接和剛接，鋼柱與鋼梁的剛接，分別選取模型MR、MJ與其相對應。

3　有限元模型構建

3.1本構關系

在對材料的本構關系進行分析的時候，鋼材與混凝土的材料選擇同上文。鋼材的參數選擇如下：加載循環載荷，包辛格效應下不考慮剛度退化，強度屈服比為1.2，在極限應力下，極限塑性應變為0.025。選擇雙線性動力強化模型來對鋼材進行模擬。

單軸受壓時，受壓損傷因子

單軸受拉時，受拉損傷因子

從受壓狀態過度到受拉狀態時，混凝土裂縫閉合的抗拉強度無法恢復，從受拉過度到受壓狀態的時候，混凝土裂縫閉合的抗壓強度可以恢復。

3.2單元網格劃分

對于有限元模型中的樓板、核心筒、墻體，選擇單元S4R來完成模擬。因為S4R雙曲四節點薄殼單元適用于薄殼和厚殼兩種情況下，依靠沙漏和積分縮減來對剛度進行操縱，能夠承受橫向剪力，在應變的數值或者梯度較大的工程中長采用S4R。采用S4R對墻體進行模擬，能夠在較少的運算時間內得到更為精確的結果。

對于模型中的鋼柱、鋼梁、巨型梁以及伸臂桁架，采用三維一階梁B31單元進行模擬，B31單元使用纖維束來構成模型，包含剪切剛度，以及軸力和彎矩之間的耦合效果，在柱、梁等產生大的位移或者應變的情況下能夠進行正確計算。

對于鋼梁與墻體之間的連接，選擇Connector來完成模擬，Connector中包含了280個類似于球鉸連接的節點。對于剪力墻的外圍約束構件，為了直觀地在模型中體現出構件的約束作用，選擇彈塑性殼單元來對其進行模擬。模型中涉及到的所有配筋都按照實際配筋來進行設置。

有限元模型中所有構件選擇的單元如下表1所示。在有限元模型中劃分網格的時候，考慮到底部的裂縫和應力較多，因此從下至上，底層的兩層的網格劃分是最精細的，第三層為過渡層，梁、樓板的精細度為一倍，墻體、柱的精細度為四倍。有限元模型的網格劃分見圖3。

3.3模態分析

對上文中提到的模型分別進行模態分析，得到它們的前6階周期如下表2所示。

表2　各模型的前6階周期Table 2 First6 cycles of eachmodel

由上表可以看出，在Ma上添加了巨型支撐之后，模型的周期減少了很多，這說明設置巨型支撐能夠顯著提高結構剛度，將M x、M v進行對比可以看到，在剛度提高上，X型支撐要比V型支撐更為明顯，而由于巨型支撐在結構外圍的四個立面上呈均勻對稱分布，能夠大幅度提高扭轉剛度，所有基本周期比Ma較少了15%，第一扭轉周期降低了37%。在模型M xc和Mvc中，減掉了巨型梁下層次柱之后，扭轉周期變化較小，平動周期有明顯提升，而與Ma相比各階周期比較小，這說明在只有巨型支撐也能提高結構的整體剛度。

3.4結構側移分析

用有限元分析軟件對各模型在地震情況下X方向的樓層位移以及層間位移角，得到變化曲線如圖4，頂層位移以及最大層間位移角如表3所示。

由圖4以及表3可以看出，在建筑高度的方向上，每個模型的變形曲線均為彎剪力變形，X型巨型支撐控制結構側移的能力最強，倒V型的功能是X型的一半。沒有巨型梁下層柱之后，結構的總側移量增大。通過圖3可知，最大層間位移角在各模型中都位于中上樓層處，Ma加強層的層間位移角最大。可以看出設置了巨型支撐的結構能夠更好的緩解層間位移角的突變。

4　結論

巨型鋼框架-混凝土核心筒結構以其成本低，施工快，結構剛度好等優點被普遍應用與我國的高層建筑中。本文以新金橋大廈為參考，對結構中所用材料進行選擇，建立結構模型。利用ABAQUS軟件建立有限元模型。最后，對該模型的模態和結構側移進行分析可知，設置巨型鋼框架之后，結構的整體剛度提高了，層間位移角的突變得到了緩解。巨型鋼框架-混核心筒結構在我國的發展還在起步階段，國外很少采用這種技術，研究工作遠遠落后于實際應用，因此本文的研究工作在理論上提供了一定的參考價值。

［1］徐培福，王翠坤，肖從真.中國高層建筑結構發展與展望［J］.建筑結構，2009，39（9）：28-32

［2］薛建陽.鋼與混凝土組合結構［M］.武漢：華中科技大學出版社，2007

［3］聶建國.鋼筋混凝土組合結構原理與實例［M］.北京：科學出版社，2009

［4］編委會.世界建筑結構設計精品選：中國篇［M］.北京：中國建筑工業出版社，2001

The Establishment of the Model of Giant Steel Frame-Concrete Tube Structure

XU Lin
XHUUniversity ofArchitecture and Civil Engineering，Chengdu 611930，China

The structure of the giant steel frame-concrete tube constituted w ith some giant steel frames，giant supports，reinforced concretes and outrigger trussesmainly used to high-rise buildings.This paper resumed its structural system and established a finite elementmodelby ABAQUS software and then analyzed the constitutive relation and divided the grids.

Giantsteel frame；core tube；finiteelementmodel

TV335

A

1000-2324（2016）04-0557-03

2016-01-05

2016-01-28

徐藺（1993-），男，四川瀘州人，本科，主要研究方向為土木工程.E-mail：xihuaxulin@163.com