某钢管柱-核心筒超高层稳定性分析

　　摘要：采用sap2000软件对某钢管柱-核心筒体系的超高层结构进行了稳定性分析，分别得到了第一类、第二类失稳的形态和临界荷载因子，分析结果表明该超高层具有良好的稳定性性能。
　　 关键词:超高层；钢管混凝土；核心筒；稳定性
　　 中图分类号:TU3文献标识码:A文章编号：
　　
　　随着我国经济的发展，城市规模日益扩大，超高层往往是代表当地城市建设发展水平的标志性建筑物，同时其结构形式具有独特之处，合理的结构设计将带来重大的经济效应。
　　超高层常采用混凝土核心筒+外环框架的结构形式，其设计理念是核心筒抵抗水平方向的剪力，利用外环框架之间的大力臂抵抗整体弯矩。钢管柱由于其截面小、承载能力强的优点，已得到广泛应用，往往用做外环框架中的柱构件。
　　超高层的构件承载力要求和变形控制要求主要由侧向荷载控制，即风荷载和地震荷载，但由于其具有超过100m的总高度，侧向刚度往往较小，竖向荷载会引起稳定性问题，其效应值得注意。
　　首先是结构整体稳定性问题，在风或地震作用下，结构产生水平位移，从而形成P-效应，极限状态下会发生整体倾覆。现行的JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规范》[1]中规定了剪重比指标防止倾覆，但实际工程中会遇到超限的结构形式，需进一步从原理上分析整体稳定性；其次是构件的稳定性问题，在地面几层往往建筑要求大空间，导致取消楼板和径向框架梁，使得地面上几层框架柱的计算长度为几层层高，容易发生底层柱的局部失稳。现行的GB50010-2010《混凝土结构设计规范》中对构件验算时的计算长度取值给出了经验规定，但实际上构件和整体的稳定是相互联系的。综上所述，超高层结构需进行稳定性验算。
　　本文以某超高层钢管柱-核心筒结构为例，采用Sap2000分析软件对其进行线性和非线性稳定性分析，阐述了超高层稳定性分析方法和流程，并对相关几个方面进行了探讨，可作为相关工程实践的参考和借鉴。
　　1结构稳定性分析原理与实现
　　经典力学原理上存在两类结构失稳。第一类是特征值失稳，指结构在逐渐增大的外荷载作用下会达到一个不稳定点，在此点除了原来的平衡状态外，还存在另一个大位移的平衡状态，稍微受到扰动即跳跃到另一个结构形态。Sap2000等软件的中，首先利用有限元方法形成结构控制方程组，然后求解特征值问题。
　　在sap2000中实现特征值稳定分析需要如下几个步骤[2]：
　　1) 建立模型；
　　2) 建立稳定分析工况；
　　3) 指定加载形式；
　　4) 指定求解失稳模态数量
　　特征值失稳的特点是不考虑结构缺陷、结构无初始变形，即结构是理想化的。实际中在风荷载或地震荷载作用下，结构会发生水平位移，竖向荷载作用下产生P-效应，所以有必要对结构几何叠加初始缺陷，施加竖向荷载进行非线性静力分析，跟踪荷载-位移曲线，判断荷载的极大值，即为实际失稳极限承载力。这种利用非线性静力分析方法判断失稳临界荷载的方法对应第二类失稳问题，称为极值点失稳。
　　特征值失稳分析揭示了结构的薄弱形态，通常选取一个失稳模态作为初始缺陷的形态叠加到原结构上，形成带缺陷的结构，对其进行非线性静力分析。Sap2000中进行极值点失稳分析的步骤为：
　　1) 将原结构导出为Excel表格数据，包括将作为缺陷的失稳模态；
　　2) 对失稳模态指定一个放大系数，叠加到原结构的节点坐标上，形成带缺陷的结构；
　　3) 建立非线性静力分析工况，指定荷载形式；
　　4) 指定非线性参数，采用位移控制，考虑P-效应
　　通常在叠加某个失稳模态后，结构将延续此失稳形式发生变形，但极值点失稳时承载力小于特征值失稳，最大位移限制可参考特征值失稳时的值。
　　2工程概况
　　本工程总高319m，共70层，总平面尺寸43.4mx50.9m，核心筒尺寸为17mx28m，平面投影见图1，无裙楼。首层层高6m，第2-4层层高5.5m，标准层层高4.5m；其中首层和二层为大堂，二层无楼面，造成跨1、2层的框架柱；2、4层局部大开洞。其余标准层为办公用途。
　　
　　图1结构平面图
　　由地面到顶层，核心筒剪力墙厚从1200mm逐渐变为300mm厚，周围钢管混凝土柱直径由1400mm渐变为800mm，径向的框架梁为等截面650x550x16x30，外圈环向主梁截面为1000x600x16x25。次梁为450x150x8x16，采用复合梁；核心筒内楼板厚150mm，其余部分板厚120mm；墙和钢管柱的混凝土等级由C70变为C60，楼板等级为C30。工程设计基准周期为50年，建筑场地类别为II类，安全等级为一级，抗震设防烈度7度，场地特征周期0.4，基本地震加速度为0.1g，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为一组。
　　核心筒的高宽比为18.8，Etabs软件计算得X、Y方向的刚重比为1.452/2.84，按照JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规范》，Y向的刚重比大于2.7,，从而可不考虑P-效应；X向刚重比大于1.4，但小于2.7，需进行X向稳定性分析；底层柱的最大无支撑长度为11.5m，需检验其构件稳定性。
　　3特征值失稳分析
　　本文在sap2000中建立了结构整体模型，其中楼板、剪力墙、洞口上方连梁都采用Shell壳单元模拟，梁柱采用梁单元模拟，用SectionDesign功能定义钢管柱为组合截面。为了准确体现结构临界荷载时的变形，每根柱子划分为2个单元，剪力墙划分单元控制长度为边长2m。结构的前2阶失稳模态见图2，失稳系数见表1.
　　
　　(a)x-z视图(b)y-z视图
　　图2特征值失稳模态
　　表1特征值失稳临界荷载系数
　　失稳模态号 1 2 3
　　临界荷载系数 13.76 21.56 44.3
　　失稳形态 整体X向 整体Y向 底层柱
　　
　　计算结果表明，第一阶失稳模态是X向的整体失稳，第二阶是Y向的整体失稳，第三阶是底层柱的面外失稳。满足以下几个常用指标：
　　1) 整体失稳的临界荷载系数均大于10
　　2) 构件的失稳迟于整体失稳
　　4非线性屈曲分析-极值点失稳
　　在《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98[3]中规定，高层钢结构建筑的整体侧向位移比限值为1/500，第一阶失稳时顶层位移最大，因此将第一阶失稳模态的顶点位移放大到H/500，作为初始缺陷与原结构的节点坐标叠加。加载工况为1.0恒载+1.0活载，进行非线性静力分析，保存每个加载步的信息。
　　图3为非线性静力分析过程的加载系数-顶点位移图，从中可知最大荷载因子大于5，满足通常的稳定性要求[4]，且失稳形态为整体失稳。
　　
　　图3非线性静力加载过程
　　5结论
　　通过本文进行的两种稳定性分析表明：
　　1） 本工程满足稳定性控制指标，具有较好的稳定性性能；
　　2） 为模拟整体的第二类失稳，宜以第一阶失稳形态作为初始缺陷；
　　3） 第二类失稳较第一类失稳更能揭示结构的失稳临界荷载。
　　参考文献
　　[1]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构设计技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002
　　[2]北京金土木软件有限公司.Sap2000中文版使用指南[M],北京:人民交通出版社,2006
　　[3]JGJ-99-98,高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1998
　　[4]DG/TJ08-32-2008,高层建筑钢结构设计规程[S].上海:中国建筑工业出版社,2008

《某钢管柱-核心筒超高层稳定性分析》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 某钢管柱-核心筒超高层稳定性分析

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-12147