高层预应力索支撑钢框架结构的抗侧性能研究

杨 意，冉克显，王洪涛

(1.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000；2.中国中轻国际工程有限公司，北京 100026；3.中国新兴建设开发总公司，北京 100039)



高层预应力索支撑钢框架结构的抗侧性能研究

杨 意1，冉克显2，王洪涛3

(1.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000；2.中国中轻国际工程有限公司，北京 100026；3.中国新兴建设开发总公司，北京 100039)

为增加侧向刚度，降低节点复杂程度，将预应力钢索引入高层钢框架中，考虑不同布索方案和节点半刚性影响，分析结构的抗侧性能。结果表明：预应力钢索能显著提高节点半刚性连接高层钢框架的抗侧刚度，方案1优于方案2。1×109N·m/rad和1×106N·m/rad可作为刚接和铰接的刚度值。在模态分析中，不能体现钢索预应力改变对结构基本周期的影响。

预应力索；钢框架；抗侧性能

0 引言

框架体系是高层钢结构建筑的主要结构形式之一，为增加侧向刚度，通常采用设置支撑的方法来抵抗水平荷载，形成钢框架-支撑体系，但支撑与框架连接的节点构造复杂且性能难以保证。

框架结构中梁柱节点通常简化为刚性节点，这是实际节点的一种力学理想化，多为半刚性节点。节点刚度的降低会使结构刚度降低，从而增加高层建筑在水平荷载作用下的侧移。

将预应力引入钢结构，能使钢材的拉、压强度同时得到充分利用，还能调节结构的刚度，有效节约钢材，增加结构稳定性，减少结构变形[1]。

用预应力钢索替代支撑，不仅可以提高结构的抗侧刚度，而且节点复杂程度较低[2-4]。高层预应力索支撑钢框架结构是一种新的结构形式，有着很好的应用前景，因此有必要对体系的抗侧性能进行分析。

1 计算模型

计算模型选自冉克显硕士论文[5]，结构总高度83.2m，25层，底层层高4m，标准层层高3.3m，Q345钢材，结构恒载取1kN/m2，活载取2kN/m2。索平面位置如图1所示，虚线表示索布置列。根据论文分析结果，选用其中的方案1.1和方案2.3作为本文布索方案(以下称方案1和方案2)，如图2所示。

2 模拟结果和分析

轴向拉压构件(如索)的轴力N、截面积A、弹性模量E、应变ε、伸长量Δl、构件长度l有以下关系：

N=E*ε*A

(1)

ε=Δl/l=α*Δt

(2)

联立上两式，得

N=E*α*Δt*A

(3)

其中α为材料的线膨胀系数，单位(C-1)，分析中取值为1.17e-5，通过对索构件施加一定的温度来达到施加初始预应拉力的效果。

2.1 节点刚度的影响

索截面直径取60mm，索中施加的温度为-10℃，即索初始拉力相同，节点连接刚度分别取刚接、1×1010、1×109、1×108、1×107、1×106、1×105、1×104N·m/rad，分析一榀平面框架模型在不同布索方案和不同节点刚度条件下的模态反应，见表1和图3。从图表中可以看出，随着节点刚度的减小，无索方案基本周期显著增大，而方案1和方案2基本周期有增大，但幅度比无索方案小很多。对比方案1和方案2，方案1的基本周期小于方案2，但随着节点刚度的减小，方案2基本周期的增加幅度要小于方案1。

表1 基本周期(单位：s)

对模型每层施加50kN水平力作用，观察层响应，如图4-图6。从图中可以看出，无索方案随着节点连接刚度的增大，层位移显著增大，而方案1和方案2增大幅度相对小很多，这与基本周期的变化规律一致。方案1和方案2中，节点连接刚度大于等于1×109N·m/rad和小于等于1×106N·m/rad时，层位移变化量很小，故1×109N·m/rad和1×106N·m/rad可作为刚接和铰接的刚度值。

节点刚接和节点连接刚度为1×108N·m/rad三种方案下的层位移如图7和图8所示。节点刚接条件下，顶层位移分别为141.78mm、79.98mm、99.99mm，同比减小43.6%和29.5%。节点连接刚度为1×108N·m/rad条件下，顶层位移分别为342.3mm、122.58mm、159.58mm，同比减小64.2%和53.4%。拉索对节点半刚接结构侧移的限制作用更明显，而方案1优于方案2，即抗侧刚度更大一些，这与模态分析的结果一致。

2.2 索施加温度的影响

索截面直径取60mm，索中施加的温度为-10℃、-20℃、-30℃，节点连接刚度分别取刚接、1×1010、1×109、1×108、1×107、1×106、1×105、1×104N·m/rad，分析一榀平面框架模型在方案1条件下的模态反应，见表2。从表中数据可以看出，改变索施加温度，对各节点连接刚度条件下的基本周期几乎没有影响。

表2 基本周期(单位：s)

对节点刚接和节点连接刚度为1×108N·m/rad的模型每层施加50kN水平力作用，索中施加的温度分别为-10℃、-20℃、-30℃，层位移如图9和图10所示。

节点刚接条件下，顶层位移分别为79.98mm、74.32mm、71.2mm,同比减小7.1%和11%。节点连接刚度为1×108N·m/rad条件下，顶层位移分别为122.58mm、113.01mm、106.09mm，同比减小7.8%和13.5%。节点随着温度的降低，层位移相对有所减小，说明结构抗侧刚度有所增大，而模态分析不能反映这一变化规律。

3 结论

无索高层钢框架对节点连接刚度变化非常敏感，在风荷载作用和抗震设计中要加以考虑。预应

力钢索对提高半刚接高层钢框架的抗侧刚度效果显著，方案1优于方案2，1×109N·m/rad和1×106N·m/rad可作为刚接和铰接的刚度值。在模态分析中，不能反映索预应力改变对结构基本周期的影响，而实际中会在一定程度上改变结构的刚度。

[1] 陆赐麟,尹思明，刘锡良，等.现代预应力钢结构(修订版)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3] 唐柏鉴，顾盛．预应力巨型支撑-钢框架结构侧移模式研究[J]．建筑科学，2010，26(9):57-61.

[4] 陈明.高层预应力高性能钢结构抗侧力体系性能研究[D].北京：北京工业大学硕士学位论文，2012.

[5] 冉克显.高层预应力斜撑钢框架风振舒适度研究[D].北京：北京工业大学硕士学位论文，2014.

The Lateral Performance Analysisof High-rise Steel Frame Structure with Prestressed Cable

YANGYi1,RANKe-xian2,WANGHong-tao3

(1.LangfangTeachersUniversity,Langfang065000,China;2.ChinaLightIndustryInternationalEngineeringCo.,Ltd,Beijing100026，China;3.ChinaXinxingConstruction&DevelopmentGeneralCo.,Beijing100039，China)

To increase lateral stiffness and reduce node complexity, using prestressed cable into high-rise steel frame and considering the effect of different schemes of cable and node semi-rigid ,lateral performance of structure is analyzed. The results show that the prestressed cable significantly improves lateral stiffness of high-rise steel frame with semi-rigid connection, and the scheme 1 is superior to scheme 2. 3.1×109N·m/rad and 1×106N·m/rad can be used as rigid and hinged stiffness values. The modal analysis can't reflect the influence of the changing of cable prestressing on basic period of structure.

prestressed cable; steel frame; lateral performance

2017-02-20

廊坊市科学技术研究与发展计划自筹经费项目(2015011027)

杨意(1987-)，女，硕士，廊坊师范学院建筑工程学院讲师，研究方向：钢结构与组合结构。

TU394

A

1674-3229(2017)02-0076-03