钢筋混凝土密肋网格式框架_核心筒结构体系性能分析.pdf

第 43 卷 第 7 期 2013 年 4 月上 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 7 Apr 2013 钢筋混凝土密肋网格式框架-核心筒 结构体系性能分析 王其明 1， 马克俭1， 2， 陈志华1， 3， 孙 涛 1 ( 1 天津大学建筑工程学院，天津 300072;2 贵州大学空间结构研究中心， 贵阳 550003; 3 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室( 天津大学) ，天津 300072) 摘要首先介绍了一种新型结构体系 钢筋混凝土密肋网格式框架-核心筒， 并以采用该体系的某实际工程 为例， 和普通框架-核心筒结构体系进行对比， 分析了周期、 位移比、 楼层位移和经济技术指标之间的差异， 得出了 该体系在力学性能和经济效益方面均优于普通框架-核心筒结构， 且能满足在高烈度地区建造高层的需要的结论。 为今后设计采用该结构体系的工程提供参考。 关键词钢筋混凝土;密肋网格式框架-核心筒;抗震性能;经济性能 中图分类号: TU973 + 16文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 07- 0034- 04 Performance analysis of RC dense rib grid frame- tube structure system Wang Qiming1，Ma Kejian1， 2，Chen Zhihua1， 3，Sun Tao1 ( 1 School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2 Space Structrues Research Center( SSRC) of Guizhou University，Guiyang 550003，China; 3 Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety ( Tianjin University) ，Ministry of Education，Tianjin 300072，China) Abstract: A real building using a new structure system called RC dense rib grid frame-tube was studied The period， displacement ratio，story deflection and econo-technical target of this new system were researched and were contrasted with the normal frame-tube system The results show that the RC dense rib grid frame-tube structure has a better property compared with the normal frame-tube structure，which proves this new building system can be applied in high intensity earthquake area It can provide reference for similar projects in the future Keywords: reinforced concrete;dense rib grid frame-tube;seismic behaviour;econo-technical target 作者简介: 王其明， 博士研究生，Email: wqmpass 163 com。 0引言 为响应国家“变废为宝、 节能建筑、 绿色建筑” 的号召， 促进工业废渣( 制造磷酸的废渣( 二水石 膏) 、 火力发电厂的废渣( 粉煤灰) 加工后的脱硫石 膏) 再利用， 马克俭院士课题组结合框架-核心筒结 构抗震性能好、 适用于高层建筑的特点， 提出了一种 新的结构体系 密肋网格式框架-核心筒结构体 系。利用网格式框架的梁、 柱间距较小的特点， 外填 充墙采用现浇脱硫石膏 1。并首次在地震高烈度 地区 唐山市建造了国内第一栋以脱硫石膏为填 充的密肋网格式框架-核心筒结构 唐山建华工 程质量检测中心办公大楼， 2012 年 10 月该工程主 体结构已经完工。为考察这种新结构体系的抗震和 经济性能， 以该工程为基础， 详细对比分析了密肋网 格式框架-核心筒结构和普通框架-核心筒结构性能 的差异。 1密肋网格式框架- 核心筒结构体系 钢筋混凝土密肋网格式框架-核心筒结构体系 是由现浇石膏为填充外 墙 的网 格 式 框 架 结 构 外 筒 2、 钢筋混凝土剪力墙内筒和连接内外筒的密肋 图 1网格式框架结构示意图 井字空腔大板组成( 图 1) 。其和普通框架-核心筒 结构体系的区别在于网格式框架外筒( 图 1) 和密肋 井字空腔大板 3( 图 2) ， 网格式框架中间为现浇石 膏填充墙， 密肋井字空腔大板空腔部分为石膏模盒 填充 4。 外围网格式框架梁柱( 图 1) 间距一般按照窗户 的宽度取值， 同时考虑密肋井字楼盖中密肋梁的影 响， 框架柱间距一般取 1. 8 2. 5m; 柱截面尺寸仍按 照建筑抗震设计规范 ( GB 500112010) 和高层 第 43 卷 第 7 期王其明， 等 钢筋混凝土密肋网格式框架-核心筒结构体系性能分析 图 2密肋井字空腔大板( 标准格) 示意图 建筑混凝土结构技术规程 ( JGJ 32010) 所要求的 轴压比 限 值 和 构 造 确 定， 柱 最 小 边 长 不 宜 小 于 300mm; 当柱宽大于 500mm 时宜取为方柱， 以免柱 过宽影响窗户的采光; 考虑施工问题和梁、 柱的空间 整体作用， 梁最小间距不宜小于 1 500mm， 最大间距 不宜大于 2 500mm， 楼层梁的高度比密肋井字楼盖 厚度大 50mm 以上， 考虑楼盖钢筋在梁中锚固， 楼层 梁应有足够的抗扭刚度以给楼盖提供可靠约束， 楼 层梁宽度不小于 300mm。层间梁的高度和宽度一 般都是按照构造选取， 层间梁和柱应能组成刚性框 架; 石膏填充墙厚度考虑保温的要求， 一般情况下要 能包裹框架梁。 密肋井字空腔大板楼盖( 图 2) 中密肋梁高度一 般取楼盖跨度的 1 /30， 考虑钢筋的摆放， 肋梁宽度 一般不宜小于 150mm， 上、 下层板受力较小， 按构造 要求厚度不宜小于 60mm， 板内的石膏模盒重量应 以 2 个人抬得动为宜。 图 3唐山建华检测 有限公司办公大楼 2工程概况 唐山建华检测有限公司办公大楼是集办公、 职 工娱乐健身、 住宿和会议一体的综合性办公大楼 ( 图 3) 。主楼采用密肋网格式框架-核心筒结构体 系， 楼盖为脱硫石膏模盒填充的钢筋混凝土密肋井 字空腔大板结构， 建筑平 面为 长 33. 6m， 宽 25. 2 m， 内筒尺寸为 16. 8m 6. 95m， 地 下 3 层， 地 上 22 层( 局部 24 层) ， 大楼 的右侧有一地下 3 层、 地 上 2 层的裙房， 裙房外轮 廓 尺 寸 为 长 28. 2m， 宽 25. 2m， 为普通框架结构 体系。总建筑面积约 2 万 m2， 主楼平面布置图 见 图 4。 标 准 层 层 高 3. 3m， 结构檐口高度 79. 5m， 局部水箱间顶面标高 为 87m。 本工程位于唐山市高新区， 抗震设防烈度为 8 度， 基本风压为 0. 5kN/m2， 结构设计主要荷载有: 楼 面恒荷 载 ( 不 包 括 密 肋 井 字 空 腔 大 板 自 重)取 1. 5kN/m2， 考虑隔墙可以任意分割房间， 隔墙按楼 面等效均布荷载计算， 其值为 1. 3kN/m2， 楼面活荷 载取 2. 5kN/m2。 图 4密肋网格式框架-核心筒结构 3计算模型及主要设计参数 为简化计算模型， 便于对比两种结构形式的力 学性能， 模型未包括裙房部分。 3. 1 密肋网格式框架- 核心筒结构 网格式框架柱距为 2 100mm， 标准层柱截面为 400mm 400mm， 房 屋 四 角 隅 设 L 形 的 剪 力 墙 ( 2. 1m 2. 1m 0. 4m) ， 以防止剪力滞后对角柱压 力过大造成的影响。框架网格沿竖向在标准层划分 为 3 格， 每格的高度约 1. 1m， 即楼层一道、 层间两道 框架梁， 楼层梁截面尺寸为 300mm 350mm， 层间 梁截面尺寸为 300mm 250mm。中间核心筒外墙 厚度为 400mm， 电梯间墙厚为 200mm， 其余墙厚度 为 250mm。混凝土密肋井字空腔楼盖的网格尺寸 均为 2. 1m 2. 1m， 楼盖短跨方向长度为 8. 4m， 板 厚按 1 /30 短跨长度， h = 8 400 /30 = 280mm， 实际厚 度取 300mm。空腔楼板上、 下层板厚度均为 65mm， 中间为 3mm 厚的永久脱硫石膏模盒( 图 2) ， 每个网 格内放置 4 个模盒。 3. 2 普通框架- 核心筒结构 为了和密肋网格式框架-核心筒结构进行对比， 保持核心筒部分不变， 把普通框架-核心筒结构的外 框柱柱距调整为 8. 4m， 按照网格式框架柱的轴压比 相同的原则选取普通框架-核心筒结构的标准层柱 子的截面为 800mm 800mm， 外框架梁高约取柱距 的 1 /10， 为 700mm， 其宽取 400mm， 楼盖采用普通的 钢筋混凝土梁板结构， 混凝土梁采用宽扁梁， 其截面 尺寸为 600mm 500mm， 楼板厚度 120mm。结构平 面布置见图 5。 53 建筑结构2013 年 图 5普通框架-核心筒结构 3. 3 结构分析主要参数 计算假定结构在地下室顶面嵌固， 模型仅包括 地面以上部分， 计算分析采用 SATWE 软件， 进行了 风荷载、 竖向荷载和地震荷载下的弹性分析。设计 地震加速度为 0. 2g， 设计地震分组为第一组。根据 该场地地质勘察报告， 场地类别为类， 特征周期为 Tg= 0. 35s， 结 构 阻 尼 比 为 5% ， 周 期 折 减 系 数 为 0. 80， 考虑偶然偏心的影响; 振型组合方法为 CQC; 计算振型数为 30 个， 以考虑高阶振型的影响。 4反应谱分析结果 4. 1 模态分析 两种结构的前 3 阶模态见表 1， 由表中数据可 知: 密肋网格式框架-核心筒的抗侧刚度要比普通框 架-核 心 筒 的 大，两 者 第 1 阶 周 期 的 比 值 为: 1. 933 2 /2. 226 2 = 0. 868。第一扭转和第一平动周 期的比值远小于高层建筑混凝土结构技术规程 ( JGJ 32010) 要求的 0. 9， 都能满足规范要求。密 肋网格式框架-核心筒的周期比要略小于普通框架- 核心筒结构， 可见其抗扭性能要略好于普通框架-核 心筒结构。 结构的动力特性表 1 结构体系模态号周期 /s动力特性周期比 密肋网格式 框架-核心筒 1 2 3 1. 933 2 1. 727 9 1. 083 6 Y 向平动 X 向平动 扭转 0. 559 普通框架- 核心筒 1 2 3 2. 226 2 1. 975 6 1. 292 4 Y 向平动 X 向平动 扭转 0. 581 4. 2 位移角和位移比 采用振型分解反应谱法得到的结构最大的位移 响应见表 2， 两种结构模型计算均采用刚性楼板假 定。由表 2 可知: 层间位移角均小于高层建筑混 凝土结构技术规程 ( JGJ 32010) 要求的 1 /800， 可见两种结构的刚度均较好， 最大层间位移角出现 的层数相同， 说明该工程的侧向刚度沿竖向基本一 致。在考虑偶然偏心的情况下， 结构的最大层间位 移和平均位移比都小于规范规定， 可见， 结构的刚度 布置均匀、 抗扭刚度较大。 结构的位移响应表 2 结构响应 网格式框架-核心筒普通框架-核心筒 X 向 Y 向 X 向 Y 向 最大层间位移角 ( 所在的楼层) 1 /1 284 ( 层 14) 1 /1 093 ( 层 15) 1 /1 198 ( 层 14) 1 /1 018 ( 层 15) 最大层间位移比1. 071. 121. 071. 10 4. 3 楼层位移 图 6两种框架-核心筒 结构楼层位移对比 图 6 是多遇地震下 楼层的位移沿竖向的分 布。由图中曲线可知， 这 两种结构体系都呈现弯 剪型变形， 各层的层间变 形趋于均匀化， 变形曲线 和框架-剪力墙结构基本 相同。表明结构在竖向 无大的刚度突变， 两种结 构形式的力学性能比较 接近。这是由于密肋网格式框架-核心筒结构体系 的外围网格框架每层有 3 层横梁且柱距较小， 从而 外围框架刚度较大 5。而普通框架-核心筒结构体 系中外框架和内筒剪力墙有 600 500 的大梁相连， 从而使内筒和外框架协同工作。 5经济技术指标 以上结构分析表明， 密肋网格式框架-核心筒结 构可以很好地满足规范对结构设计的要求， 是一种 力学性能较好的结构形式， 在某些性能指标上基本 和普通框架-核心筒结构相当或略优， 但结构类型的 选择在都能满足结构设计的同时， 其建筑功能的要 求和建筑物的造价等综合效益也是举足轻重的。 ( 1) 密肋网格式框架-核心筒外墙采用 400mm 厚的现浇脱硫石膏， 混 凝土的导热系数约为 2. 0 W /( m K) ， 石膏的导热系数为 0. 30W /( mK) ， 采 用 400mm 厚的脱硫石膏以后， 房屋外墙的保温性能 将大大提高， 基本可以满足国家或地方要求的节能 65% 的要求。相对普通的陶粒或加气混凝土砌块外 墙， 可以不用另做外保温层， 从而减少施工工序、 节 省工程造价。本工程主楼部分建筑面积约为 1. 85 万 m2， 消耗了石膏 1. 13 万 t， 石膏消耗量 0. 61t/m2， 节能环保、 废物利用效果明显。 ( 2) 密肋网格式空心大板为 300mm 厚， 中间为 空心层， 且夹有 3mm 厚脱硫石膏模盒， 其上下层的 隔声效果远好于普通的梁板结构， 密肋梁间距较小， 能实现大开间楼面灵活划分房间， 更容易实现建筑 63 第 43 卷 第 7 期王其明， 等 钢筋混凝土密肋网格式框架-核心筒结构体系性能分析 功能的划分和业主的使用要求。密肋网格式空心大 板的下表面为平面， 解决了梁板结构中梁外露的问 题， 建筑视觉效果良好。以本工程为例， 密肋网格式 框架-核心筒每层可以比普通框架-核心筒节省层高 200mm， 本工程共节省层高 25 200 = 5 000mm( 层 数 25 指地下 3 层 地上 22 层) ， 相同高度的网格式 框架结构基本可以多建两层。 其经济效益相当可观。 ( 3) 相对于普通框架-核心筒的大框架柱和大框 架梁， 密肋网格式框架-核心筒结构的梁、 柱较小， 其 占用的空间较小， 本例普通框架-核心筒中底层柱为 1 000 1 000mm， 密肋网格式框架-核心筒中底层柱 为 500mm 500mm， 普通框架-核心筒的柱占用的空 间是密肋网格式框架-核心筒的 4 倍。 ( 4) 参照两种结构的计算模型， 对其混凝土的 用量进行了计算， 计算结果见表 3， 普通框架-核心 筒比密肋网格式框架-核心筒结构标准层混凝土用 量增 加 23. 875m3， 增 加 了 ( 201. 852 177. 977) / 177. 977 = 13. 41% 。 标准层混凝土用量 /m3表 3 结构类型柱子 周边 框架梁 楼板 框架梁 楼板 四角 剪力墙 合计 普通框架-核心筒40. 12818. 85538. 9783. 4420. 432201. 852 密肋网格式 框架-核心筒 27. 45623. 88315. 81690. 3920. 432177. 977 6结论 ( 1) 尽管普通框架-核心筒结构中， 外围框架和 内筒有较强的钢筋混凝土梁连接， 而密肋网格式框 架-核心筒结构采用 300mm 厚的密肋网格空心楼板 连接内外筒， 但密肋网格式框架-核心筒的整体刚度 仍旧要略高于普通框架-核心筒， 在内筒相同的情况 下， 说明外围网格式框架具有较大的刚度。 ( 2) 密肋网格式框架-核心筒结构的变形曲线接 近普通框架-核心筒结构， 外围网格式框架和剪力墙 内筒能协同工作， 层间变形非常均匀。 ( 3) 密肋网格式框架-核心筒结构柱梁板截面均 远小于普通框架-核心筒结构， 不仅能节省建筑空 间， 而且材料用量也少于普通框架-核心筒结构， 经 济效益明显。 ( 4) 通过网格式框架的基本力学参数和经济性 分析可知， 密肋网格式框架-核心筒是一种力学性能 较好的结构形式， 能够满足在高烈度区建造高层的 需要。但因为该结构首次提出并应用， 还有待进一 步的试验研究和经过实践的检验。 参考文献 1 马克俭， 高国富， 张华刚， 等 空间网格式框架结构在 多、 高层大开间灵活划分房间石膏节能建筑中的研究 与应用综述J 空间结构， 2009， 15( 3) : 67- 84 2 马克俭， 卢亚琴， 张华刚， 等 以磷石膏为模板的新型 钢筋混凝土结构体系实验研究J 建筑结构学报， 2009， 30( 6) : 128- 133 3 张华刚，马克俭，卢亚琴， 等 以磷石膏为模板的密肋 网格式框架小高层住宅结构体系J 贵州工业大学 学报: 自然科学版，2008，37( 4) : 28- 32 4 黄首赟 以磷石膏为模板兼建筑辅材的钢筋砼密肋井 字大板与密肋网格板式剪力墙结构体系的研究与应 用D 贵阳:贵州大学，2007 5 卢亚琴， 马克俭， 张华刚， 等 磷石膏墙体钢筋混凝土 网格式框架结构动力反应数值分析J 建筑结构学 报， 2009， 30( S2) : 36- 40 ( 上接第 41 页) 外框梁内力误差基本在 16% 左右， 外框柱轴力偏大 5% 17% ， 在工程精度允许范围内。 ( 5) 暗框梁宽度对结构整体刚度影响较小， 对 最大层间位移角的影响小于 10% ; 综合考虑结构刚 度和配筋率， 暗框梁宽度参考宽扁梁取值， 并采用适 当的中梁刚度放大系数考虑有效抗弯刚度范围内楼 板的抗侧刚度的影响。 参考文献 1 程文瀼，江韩，高仲学，等 圆管式无柱帽空心无梁 楼盖的试验研究J 建筑结构学报， 2004，25( 5) : 78- 84 2 杨建军，王金，王茂，等 现浇钢筋混凝土空心无梁 楼盖在不同荷载工况下受力性能试验研究J 铁道 科学与工程学报， 2004，1( 2) : 88- 91 3 张洪学，张云龙，白成祥 边支承现浇空心板设计计 算与软件实现J 建筑结构， 2006，36( 3) : 91- 93 4 顾冲，傅晋申 现浇空心楼板横筒方向等效厚度简化 数值解法J 建筑结构， 2009，39( S2) : 150- 152 5 徐金声，薛立红，王三瑾 现代建筑的新型楼盖结构 体系J 建筑结构， 2007，37( 6) : 88- 92 6 GB 500112010 建筑抗震设计规范S 北京: 中国 建筑工业出版社， 2010 7 JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2011 8 CECS 175: 2004 现浇混凝土空心楼盖结构技术规程 S 北京: 中国计划出版社， 2004 9 谭磊， 刘锡军， 丁时宝 水平荷载作用下空心板柱结构 等代梁计算宽度J 建筑结构， 2010， 40( 7) : 81- 83 10 杨晓华，周朝阳，何任远 混凝土空心板柱结构动力 特性计算方法J 建筑结构， 2010，40( 7) : 78- 80 11 徐培福，傅学怡，王翠坤，等 复杂高层建筑结构设 计M 北京: 中国建筑工业出版社， 2005 73