基于巨型钢框架-混凝土核心筒结构的模型构建

徐蔺

西华大学建筑与土木工程学院，四川成都611930

基于巨型钢框架-混凝土核心筒结构的模型构建

徐蔺

西华大学建筑与土木工程学院，四川成都611930

由巨型钢框架、巨型支撑、钢筋混凝土、伸臂桁架组成的巨型钢框架-混凝土核心筒结构主要用于高层建筑。本文简述其结构体系，并利用ABAQUS软件建立了有限元模型，从而进行了本构关系分析和网格划分。

巨型钢框架；核心筒；有限元模型

随着社会的发展和人口数量逐渐增多，造成城市用地局势紧张，在越来越多的城市中，各种高层以及超高层建筑以节地的优势成为了建筑行业的热门，其数量也在快速增长。查阅相关资料，占地面积相同的情况下，相比于传统的5层建筑，10层建筑节约用地28%，17层建筑节约用地48%，30层建筑节约用地40%。建筑物的层数越来越高，在对其结构进行设计的时候，首先需要对结构特性进行研究。为了解决这一问题，组合结构在高层建筑中得到广泛的应用。巨型钢框架-混凝土核心筒结构是最常见的组合结构，它比混凝土结构施工快、自重小、受力性能好，比单纯的钢结构防火性能好、节省材料、抗风效果好。巨型钢框架-混凝土核心筒结构广泛应用于亚洲。统计资料显示，我国的高层建筑中，组合结构在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］。本文主要对巨型钢框架-混凝土核心筒结构体系进行了简要的介绍，接着对其结构模型和有限元模型的构建进行了相关的研究，最后对其性能进行了简单的分析。

1　结构体系构成

巨型钢框架-混凝土核心筒结构是最近几年才发展起来的，已经被普遍应用于高层建筑［2，3］。其组成部分分为：巨型钢框架，巨型支撑，钢筋混凝土，伸臂桁架。

巨型钢框架-混凝土核心筒结构的整体工作性能要远远大于单结构性能累积，其中各个组成部分分别发挥了不同的作用。巨型钢框架由主次框架组成。位于主框架之间的次框架结构由普通钢结构的梁柱组成，主要作用是辅助主框架、在地震中进行缓冲以及纵向载荷的传递。主框架则由建筑四周的巨型柱和固定楼层所建造的巨型梁构成。为了能将外框所承受的轴向力用来加强结构的抗侧刚度。明确传力路径，整个结构中的加强层由伸臂桁架和巨型梁构成。在实际应用中，为了提高外框架的刚度，大多数建筑都采用巨型支撑结构，在外框架的刚度达到一定程度时，减少巨型梁下面的次支撑柱的数量，在不影响框架刚度的情况下，楼层的面积得到大幅度的提高，建筑效果得到加强。

巨型钢框架-混凝土核心筒组合结构体系中，钢框架的材料强度较高，能够承受一定的纵向载荷，混凝土核心筒良好的抗侧刚度使得组合结构具有良好的抗风强度和抗震强度。

2　结构模型构建

为了能够方便地对巨型钢框架-混凝土核心筒结构进行研究，参考上海市浦东金桥开发区的新金桥大厦［4］来建立三维模型。模型总高度为256m，结构共有64层，每层高4m，在第16、32、48、64分别设置巨型梁和伸臂桁架，平面布置图如图1所示。设置六个模型，分别为普通巨型框架模型Ma，X巨型支撑模型Mx，V型巨型支撑模型Mv，去除Mx和Mv中巨型梁下层次柱后的Mxc，Mvc，模型的轴立图如图2。

图1　平面布置图Fig.1 Layoutof plan

图2　模型轴立图Fig.2Themodelw ith verticalaxis

巨型钢框架-混凝土核心筒结构中，外框架（包含支撑、梁、柱）的材料为纯钢，确定钢材为Q235，密度ρ=7.85 g/cm3，弹性模量E（GPa）为200～210，泊松比v为0.25～0.33，抗拉强度σb/MPa为375～460。而核心筒采用混凝土结构，混凝土为C60，密度ρ=2400 kg/m3，泊松比v=0.2，在钢筋的采用上，箍筋选择HPB300，楼板和墙体采用HRB400。钢筋混凝土与钢梁的铰接和刚接，钢柱与钢梁的刚接，分别选取模型MR、MJ与其相对应。

3　有限元模型构建

3.1本构关系

在对材料的本构关系进行分析的时候，钢材与混凝土的材料选择同上文。钢材的参数选择如下：加载循环载荷，包辛格效应下不考虑刚度退化，强度屈服比为1.2，在极限应力下，极限塑性应变为0.025。选择双线性动力强化模型来对钢材进行模拟。

单轴受压时，受压损伤因子

单轴受拉时，受拉损伤因子

从受压状态过度到受拉状态时，混凝土裂缝闭合的抗拉强度无法恢复，从受拉过度到受压状态的时候，混凝土裂缝闭合的抗压强度可以恢复。

3.2单元网格划分

对于有限元模型中的楼板、核心筒、墙体，选择单元S4R来完成模拟。因为S4R双曲四节点薄壳单元适用于薄壳和厚壳两种情况下，依靠沙漏和积分缩减来对刚度进行操纵，能够承受横向剪力，在应变的数值或者梯度较大的工程中长采用S4R。采用S4R对墙体进行模拟，能够在较少的运算时间内得到更为精确的结果。

对于模型中的钢柱、钢梁、巨型梁以及伸臂桁架，采用三维一阶梁B31单元进行模拟，B31单元使用纤维束来构成模型，包含剪切刚度，以及轴力和弯矩之间的耦合效果，在柱、梁等产生大的位移或者应变的情况下能够进行正确计算。

对于钢梁与墙体之间的连接，选择Connector来完成模拟，Connector中包含了280个类似于球铰连接的节点。对于剪力墙的外围约束构件，为了直观地在模型中体现出构件的约束作用，选择弹塑性壳单元来对其进行模拟。模型中涉及到的所有配筋都按照实际配筋来进行设置。

有限元模型中所有构件选择的单元如下表1所示。在有限元模型中划分网格的时候，考虑到底部的裂缝和应力较多，因此从下至上，底层的两层的网格划分是最精细的，第三层为过渡层，梁、楼板的精细度为一倍，墙体、柱的精细度为四倍。有限元模型的网格划分见图3。

3.3模态分析

对上文中提到的模型分别进行模态分析，得到它们的前6阶周期如下表2所示。

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

由上表可以看出，在Ma上添加了巨型支撑之后，模型的周期减少了很多，这说明设置巨型支撑能够显著提高结构刚度，将M x、M v进行对比可以看到，在刚度提高上，X型支撑要比V型支撑更为明显，而由于巨型支撑在结构外围的四个立面上呈均匀对称分布，能够大幅度提高扭转刚度，所有基本周期比Ma较少了15%，第一扭转周期降低了37%。在模型M xc和Mvc中，减掉了巨型梁下层次柱之后，扭转周期变化较小，平动周期有明显提升，而与Ma相比各阶周期比较小，这说明在只有巨型支撑也能提高结构的整体刚度。

3.4结构侧移分析

用有限元分析软件对各模型在地震情况下X方向的楼层位移以及层间位移角，得到变化曲线如图4，顶层位移以及最大层间位移角如表3所示。

由图4以及表3可以看出，在建筑高度的方向上，每个模型的变形曲线均为弯剪力变形，X型巨型支撑控制结构侧移的能力最强，倒V型的功能是X型的一半。没有巨型梁下层柱之后，结构的总侧移量增大。通过图3可知，最大层间位移角在各模型中都位于中上楼层处，Ma加强层的层间位移角最大。可以看出设置了巨型支撑的结构能够更好的缓解层间位移角的突变。

4　结论

巨型钢框架-混凝土核心筒结构以其成本低，施工快，结构刚度好等优点被普遍应用与我国的高层建筑中。本文以新金桥大厦为参考，对结构中所用材料进行选择，建立结构模型。利用ABAQUS软件建立有限元模型。最后，对该模型的模态和结构侧移进行分析可知，设置巨型钢框架之后，结构的整体刚度提高了，层间位移角的突变得到了缓解。巨型钢框架-混核心筒结构在我国的发展还在起步阶段，国外很少采用这种技术，研究工作远远落后于实际应用，因此本文的研究工作在理论上提供了一定的参考价值。

［1］徐培福，王翠坤，肖从真.中国高层建筑结构发展与展望［J］.建筑结构，2009，39（9）：28-32

［2］薛建阳.钢与混凝土组合结构［M］.武汉：华中科技大学出版社，2007

［3］聂建国.钢筋混凝土组合结构原理与实例［M］.北京：科学出版社，2009

［4］编委会.世界建筑结构设计精品选：中国篇［M］.北京：中国建筑工业出版社，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

徐蔺（1993-），男，四川泸州人，本科，主要研究方向为土木工程.E-mail：xihuaxulin@163.com