新型高层装配式钢网格盒式结构动力特性与抗震性能分析

肖同，马克俭，卢亚琴，吴鹏程

(1. 贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550025；2. 贵州省结构工程重点实验室，贵州 贵阳 550025)

引言

随着我国经济的持续高速发展，由于土地资源的严格控制，高层建筑已经成为未来建筑领域的趋势。为了最大限度节约国家土地资源，寻求一种既安全又经济的高层结构体系已经成为空间结构领域的研究热点。从上个世纪八九十年代开始，国内外空间结构领域的专家学者对常规框剪和框筒结构做了大量研究，但都未能提出新的结构体系。贵州大学马克俭院士结合多年来理论研究与工程实践经验，在国内外首次提出了高层及超高层装配整体式空间钢网格盒式结构[1]，该新体系能有效地克服常规高层框剪和框筒结构的一些不足，有望获得较大的经济效益。分析该新型结构的动力特性与抗震性能，为其在实际工程的应用提供依据，具有重要的理论和工程意义。

所谓空间钢网格盒式结构，是指采用钢空腹夹层板和钢网格式墙架这2种基本组成单元围合而成的类似于盒子的建筑空间结构，其成型原理如图1所示[2]。钢网格式墙架围合成钢网格筒，钢空腹夹层板为楼盖，钢网格筒既承担楼盖传递的竖向荷载，又提供结构的抗侧刚度。与普通框架结构相比，钢网格筒的立柱和横梁的间距均较小，立柱和横梁互为支撑，因此钢网格筒的内力分布较为均匀，刚度更合理，内力峰值得到明显下降[3]。

图1 盒式结构的成型原理

应用到建筑工程中时，钢空腹夹层板网格分为正交正放和正交斜放。钢网格筒楼层梁的型式确定与钢空腹夹层板网格尺寸及布置有关，当钢空腹夹层板的网格尺寸与网格墙的柱间距一致时，楼盖荷载可直接传递至柱上，此时楼层梁宜用实腹梁，否则楼层梁可采用空腹梁。且其型钢截面形式宜与钢空腹夹层板的上下肋型钢截面形式相同，以便与钢空腹夹层板连接并传递荷载。四面钢网格墙架组成的钢网格筒体，类似筒体结构，既是竖向受力构件，也是抗侧力构件[4]。

1有限元模型与设计参数

1.1 有限元模型建立

混凝土筒体结构为开洞口的全截面剪力墙，因剪力墙结构刚度较大，故在高层建筑中得到广泛应用，并且剪力墙筒体与周围网格墙协同工作大大提高了整体抗侧刚度，另外，由于层间梁的设置显著增强了结构的整体性能[5]。运用Midas Gen有限元设计软件建模，盒式结构首层有限元模型如图2所示。

图2 盒式结构首层有限元模型

在进行有限元分析时，作出如下基本假定：(1)钢材与混凝土为理想弹性材料，粘结牢固。(2)楼板具有平面内无限刚度。(3)楼层之间结构构件连接牢固，无滑移。(4)结构底部为刚性连接(固接)[6]。

1.2 设计参数与工程概况

结构平面尺寸为35 m×21m，层高为4.5 m，其中空腹夹层板高度为0.7 m，在楼层柱的三等分点各设置一道层间梁将竖向分成三格，上(下)肋(T型)、剪力键(方形)、层间梁和框架柱(H型)、角柱(方形)均为Q345钢材构件，混凝土表层薄板与剪力墙为C30混凝土材料，各构件截面尺寸如表1所示。

表1 盒式结构截面尺寸和参数

拟建工程位于湖南省岳阳市，抗震设防烈度为7度，设计地震加速度为0.1 g，地震分组第一组，场地类别为2类，基本风压为0.35 kN/m2，特征周期Tg为0.35 s，结构阻尼比为0.05，周期折减系数为0.8，采用振型分解反应谱法计算地震作用。楼面恒荷载取4 kN/m2，楼面活荷载取3 kN/m2，屋面恒荷载取5 kN/m2，屋面活荷载为不上人屋面取0.5 kN/m2。

2盒式结构动力特性分析

2.1 自振特性分析

盒式结构前6阶振型如图3所示。由图3可知，第一阶振型为Y向平动为主，第二阶振型为X向平动为主，第三阶振型为扭转为主，振型特点详见表2所示。结构周期比为1.542 5/3.310 3=0.466，高规规定第一扭转为主与第一平动为主的周期比应小于0.9，盒式结构显然满足规范要求，说明盒式结构抗扭刚度比较好。第一阶与第二阶周期比为2.942 2/3.310 3=0.889，盒式结构X、Y向抗侧刚度比较接近，再次表明结构抗扭刚度较好。

图3 新型结构前6阶振型

表2 自振周期与振型表

2.2 楼层位移分析

盒式结构在X、Y双向地震作用下，楼层位移随楼层变化关系如图4所示。《高规》第3.7.3条规定，高度不大于150 m时，楼层最大位移与层高的比值不宜大于1/1 000，本工程主屋面高度为90.7 m小于150 m，由图4可知，X、Y双向地震作用下楼层最大位移分别为顶层59.1mm和66.5 mm。故楼层最大位移与层高的比值为59.1/90 700=0.652/1 000和66.5/90 700=0.733/1 000，显然均满足规范要求。《高规》第3.4.5条要求结构在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，楼层的最大水平位移和层间位移不宜大于该层平均值的1.2倍，不应大于该层平均值的1.4倍[7]。X向地震作用下楼层最大位移与平均位移的比值最大在第1层，为1.5/1.2=1.25，Y向地震作用下楼层最大位移与平均位移的比值最大在第1层，为0.5/0.5=1，满足高规要求。以上分析表明，盒式结构抗侧刚度比较合理，而且剪力墙核心筒与钢网格墙协同工作使得整体结构变形更加均匀协调。

图4 楼层位移计算结果

2.3 楼层位移角分析

盒式结构在X、Y双向地震作用下，最大层间位移角及位移角比如表3所示。《高规》第3.7.3条规定，高度不大于150 m时，楼层最大位移与层高的比值不宜大于1/1 000[8]。盒式结构在双向地震作用下的最大位移角均小于该限值，满足规范的要求。考虑偶然偏心的影响，盒式结构最大层间位移角出现位置比较相近，表明了该结构在X、Y向抗侧刚度沿竖向相近，质量与刚度整体分布均匀，结构抗扭刚度较好。

表3 楼层位移角计算结果

3盒式结构与常规框筒结构分析对比

为了研究盒式结构与常规框筒结构的力学性能区别[9]，建立常规框筒结构模型，结构跨度和高度与盒式结构相同，工程概况也一致。主次梁均为Q345钢材构件，混凝土楼板与剪力墙为C30混凝土材料，各构件截面尺寸如表4所示。常规框筒结构首层有限元模型如图5所示。

图5 常规框筒结构首层有限元模型

表4 常规框筒结构截面尺寸和参数

3.1 周期对比

对常规框筒结构进行模态分析，得到前3阶模态结果并与盒式结构前3阶模态进行对比，如表5所示。由表5可知，2种结构周期比的比值为0.466/0.482=0.967，说明2种结构抗扭刚度比较接近，并且都满足《高规》规定的第一扭转为主与第一平动为主的周期比应小于0.9的规范要求。

表5 2种结构模态对比

3.2 楼层位移对比

2种结构在X、Y双向地震作用下，楼层位移随楼层变化关系如图6所示。X向地震作用下，2种结构楼层最大位移均发生在顶层，分别为59.1 mm和72.2 mm，相差13.1 mm，而且盒式结构的楼层位移均小于常规框筒结构；Y向地震作用下，2种结构楼层最大位移同样均发生在顶层，分别为66.5 mm和73.6 mm，相差7.1 mm，而且盒式结构的楼层位移也均小于常规框筒结构。由此得到相较于常规框筒结构，盒式结构的抗侧刚度更大，质量和刚度分布更加均匀。

图6 楼层位移对比结果

3.3 楼层剪力对比

2种结构在X、Y双向地震作用下，楼层剪力[10]随楼层变化关系如图7所示。

图7 楼层剪力对比结果

在X向地震作用下，盒式结构多遇地震下的基底最大剪力为2 377.6 kN，常规框筒结构基底最大剪力为3 385.7 kN，盒式结构层间剪力均小于常规框筒结构；Y向地震作用下，盒式结构多遇地震下的基底最大剪力为2 081.2 kN，常规框筒结构基底最大剪力为2 973.5 kN，同样的，盒式结构层间剪力也均小于常规框筒结构。表明盒式结构的抗侧刚度明显优于常规框筒结构，这是由于盒式结构的立柱和横梁的间距均较小，立柱和横梁互为支撑，因此盒式结构的内力分布更均匀，刚度更合理，内力峰值得到明显下降。

3.4 楼层弯矩对比

2种结构在X、Y双向地震作用下[11]，楼层弯矩随楼层变化关系如图8所示。在X向地震作用下，盒式结构多遇地震下的基底最大弯矩为54 708.9 kN·m，常规框筒结构基底最大弯矩为62 513.6 kN·m，盒式结构层弯矩均小于常规框筒结构；Y向地震作用下，盒式结构多遇地震下基底最大弯矩为50 751.2 kN·m，常规框筒结构基底最大弯矩为57 848.5 kN·m，前者层弯矩均小于后者。表明了盒式结构的抗弯刚度要优于常规框筒结构，一方面是因为常规框筒结构自重比盒式结构大，另一方面是由于常规框筒结构需要通过增大构件截面尺寸从而增大抗侧刚度，这又进一步增大了框架柱分担的地震作用。

图8 楼层弯矩对比结果

4技术经济指标对比

该工程总建筑面积为16 709 m2，两种结构建筑材料用量如表6所示。盒式结构与常规框筒结构型钢用量相差94.4 t，钢筋混凝土用量相差432.8 m3，最终折算得到盒式结构用钢量比常规框筒结构用钢量可降低19.8%。另外，在同等楼层净高要求下，由于盒式结构采用了协同式钢空腹夹层板楼盖，可有效降低楼层高度。在总高度不变的情况下，可增加数层建筑使用面积。楼盖空腹内部可穿插水电空调管线，结构构件小型化和装配式使得施工速度明显加快。综合以上分析，盒式结构在高层和超高层中的运用可取得良好的经济效益。

表6 建筑材料用量对比

5结论

(1)剪力墙核心筒虽然在周边，但盒式结构周期比明显小于规范规定值，表明盒式结构抗扭刚度较好。

(2)盒式结构在X、Y双向多遇地震作用下，剪力墙核心筒与钢网格墙协同工作，而且层间梁设置使得整体结构变形更加均匀协调，最大楼层位移和层间位移角均满足规范要求，表明盒式结构沿竖向质量与刚度整体分布均匀，结构抗侧刚度较好。

(3)多遇地震作用下，在满足规范要求前提下，盒式结构的周期比、楼层位移也比常规框筒结构较小，表明盒式结构的抗侧刚度要优于常规框筒结构。

(4)通过对比盒式结构与常规框筒结构的抗震性能可以发现，盒式结构的楼层剪力及弯矩均比常规框筒结构较小，表明盒式结构抗震性能优于常规框筒结构。一方面是因为常规框筒结构自重比盒式结构大，另一方面是由于常规框筒结构需要通过增大构件截面尺寸从而增大抗侧刚度，这又进一步增大了框架柱分担的地震作用。

(5)相同建筑面积下，盒式结构用钢量比常规框筒结构用钢量可降低19.8%。另外，在同等楼层净高要求下，由于盒式结构采用了协同式钢空腹夹层板楼盖，可有效降低楼层高度，楼盖空腹内部可穿插水电空调管线，结构构件小型化和装配式使得施工速度明显加快。