巨型框架的稳定性释义

巨型框架的稳定性释义

苏健叶赟

苏健叶赟

浙江大学建筑设计研究院有限公司310028

摘要：本文将巨型框架拆分为一二级框架，通过对其进行结构稳定性分析，阐述了巨型框架体系与一般双重抗侧力体系的关联，进而从结构稳定性的角度定义了巨型框架。

1引言

巨型框架结构已经被广泛的运用到实际工程中。巨型框架一般分为外框架（或称为一级框架）和内框架（二级框架）。一级框架由巨型梁、柱组成，承担了大部分的水平和竖向作用。传力路径简单明确，而且内部空间容易划分，能满足比较复杂的建筑功能要求（如大空间无柱中庭，展览厅），是超高层复杂结构较好的选择方案之一。巨型外框架的梁柱一般都由巨型桁架组成，巨型梁的位置可以设置在设备层或避难层。巨型框架的每个巨型层内部可以设置内框架结构，以承担各层楼面的荷载，并将楼面荷载传递给外框架的梁和柱。现今的实际工程中，巨型框架体系主要用于建筑平面比较规则的结构。如：北京电视中心，日本NEC大楼，日本东京市政大厦，台北国际金融中心等。图1为日本东京市政厅大厦的两方向的剖面图，可以看出，这是比较典型的巨型框架结构，外框架梁柱都由巨型桁架组成，内部大空间比较多，由于底部几层为大空间，因此巨型框架将承担几乎全部的竖向荷载，水平荷载产生的底部剪力和倾覆力矩也基本有巨型框架承担。

图1日本东京市政厅大厦

2单层巨型框架稳定性分析

一般的双重抗侧力结构比较明显的分为二个子结构，如框架—剪力墙，框架—支撑，框架—核心筒。两个结构的相互作用是通过刚性连杆连接实现的，如图2。而双重抗侧力体系的整体屈曲荷载可以看作是两个子结构的屈曲荷载的简单叠加。虽然巨型框架在结构布置上不像一般双重抗侧力结构那样分为比较明显的二个结构体系，但是从受力特征上，两者具有很大的相似之处。

一般的双重抗侧力体系总是有一个抗侧刚度比较大的结构来承担大部分的水平力作用，如框架—剪力墙体系，剪力墙结构一般承担最少80%以上的水平力。而框架只承担10%左右的水平力，框架相当于靠在剪力墙之上。支撑架有足够大的抗侧刚度对框架提供支援，从而保证框架单独发生失稳的模式为无侧移屈曲。巨型框架结构所以称之为巨型框架，就是希望巨型外框架（一级框架）承担大部分的水平力，而内框架（二级框架）不承担或者很少承担水平力作用。事实上，实际工程中，一级框架的抗侧刚度远大于二级框架抗侧刚度。因此从这个意义上来讲，巨型框架体系也是双重抗侧力体系。

那么巨型框架整体失稳时是否呈现类似的如双重抗侧力体系一样的屈曲荷载简单叠加的性质呢？下面通过几个有限元算例进行分析。一级框架相当于剪力墙或者支撑架，二级框架相当于一般双重抗侧力体系中的框架部分。首先介绍几个巨型结构和双重抗侧力体系相关模型。

模型1（图3）是单层巨型框架，二级框架的柱距为，整体宽度为，层高为，总高为。

模型2（图4a）是巨型外框架（一级框架），一级框架承受大部分水平荷载，稳定分析中，一级框架依靠自己的较大的抗侧刚度（正刚度）抵抗了大部分竖向荷载的刚度（负刚度）。并对内框架（二级框架）提供支援。

图4b是巨型内框架（二级框架），边梁端部可以滑动不能转动，柱顶用刚性连杆链接，可以滑动不能转动，以此模拟一级框架对其约束。

图5是双重抗侧力体系。模型I中，一级和二级框架以刚性链杆链接，不考虑二级柱子对整体巨型框架的作用。

双重抗侧力体系模型I

图5双重抗侧力体系模型

考虑巨型框架的稳定性是否有双重抗侧力体系的性质，我们研究图3的单层巨型框架结构是否能等效为图5所示的双重抗侧力模型，进而考察整体结构的屈曲荷载是否等于一级框架屈曲荷载与二级框架屈曲荷载之和。

采用通用有限元程序ANSYS建模，考虑剪切变形一二级框架梁柱均采用beam189单元。建立两个巨型框架的模型，变化其梁柱参数，考察其失稳时一、二级框架的相互作用。算例中通过变化腹板的厚度，考虑剪切变形对整体结构屈曲荷载的影响。算例一：柱距，总宽度，层高，总高。梁柱均为H型钢。巨框算例二：柱距，总宽度，底层层高为8，其余层高6，共10层，总高为。梁柱均为H型钢。

表1算例一截面尺寸

表3巨型框架及双重抗侧力模型屈曲荷载比较（kN）

以上算例比较分析。巨型框架结构在很大程度上呈现出双重抗侧力结构体系的性质：由于一级框架抗侧刚度在整体刚度中所占比例较大（一般占80%以上），巨型结构的屈曲荷载可以近似看作外框架和内框架屈曲荷载的简单叠加。而巨型框架结构和一般的双重抗侧力结构的不同之处，在于巨型结构由于一级框架和二级框架的连接方式与一般双重抗侧力结构的不同。由于一级框架包裹在二级框架的外围，因此，一级框架与二级框架的共同工作方式，除了像一般双重抗侧力体系中框架与支撑之间的刚性连杆作用，还包括了二级框架柱与一级框架梁的相互作用。这种竖向的相互作用似乎比“将二级柱简单看作一级梁的弹性地基”作用大很多。

3结论

文章前面已经分析过巨型框架结构与双重抗侧力结构的异同，并且算例表明，当一级框架屈曲荷载占整体巨型框架屈曲荷载的80%以上时，巨型框架的整体屈曲荷载可以看做一级和二级框架屈曲荷载的简单叠加。此时巨型框架呈现出明显的双重抗侧力结构的特性。考虑到在一般双重抗侧力结构中，框架有侧移和无侧移失稳的判定准则为：框架结构承受的水平力小于总水平力的20%，则框架本身可以看作无侧移框架。这个判定准则的令一种表述方式为：当支撑体系的抗侧刚度占整个双重抗侧力结构抗侧刚度的80%以上时，支撑体系有足够的剩余刚度对框架结构提供支援，使其不发生有侧移失稳。因此不妨借助这个概念，我们定义巨型框架：一级框架的抗侧刚度占巨型结构整体抗侧刚度的80%以上时，一级框架有足够的刚度对二级框架提供支援，使得二级框架不发生有侧移失稳，这样的巨型结构称之为巨型框架。而抗侧刚度和屈曲荷载成正比，因此上述定义也可以表述为：当一级框架的屈曲荷载大于整体巨型结构屈曲荷载的80%以上时，此结构称之为巨型结构。笔者通过大量的算例计算证明，这个定义是成立并且可靠的。

参考文献：

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