高层建筑斜交网格结构体系基本参数及特征研究

摘要

斜交网格结构体系的特点是几乎所有的竖向柱都被取消,全部由斜交成网格状的斜柱代替。本文对二维和三维斜交网格结构体系在竖向和水平荷载下的受力和刚度特征进行比较分析,对该体系的平面形状、构件斜交角度、高宽比等基本参数的选取提出设计建议,推导出一种平面矩形斜交网格结构体系斜柱截面的估算方法。 本文主要工作包括： (1)对二维斜交网格框架在竖向和水平荷载下的受力和刚度特征进行分析,与正交的密柱深梁框架进行对比,总结出二维斜交网格结构体系的性能特征。 (2)以实际结构布置为基础建立三维斜交网格结构模型,计算出斜交构件最佳斜交角度的变化规律,及不同斜交角度下结构的受力和刚度特征,并考虑高宽比的影响。 (3)研究斜交网格结构体系平面布置形状的内角由90°向180°过渡时,平面形状对斜交网格结构体系构件受力性能、整体刚度及最佳斜交角度的影响。 (4)推导出一种估算矩形平面斜交网格结构斜柱截面的方法,并进行应用和验证。 本文得到的主要结论如下： (1)与密柱深梁框架相比,二维斜交网格框架具有相对较弱的竖向刚度和卓越的抗侧能力。斜交网格结构的端部存在一定的内力集中,需提高端部构件的承载力。 (2)在同样的构件截面及荷载条件下,设置竖向角柱的斜交网格结构斜柱斜交角度在53°～69°范围时具较好的抗侧刚度；无竖向角柱的斜交网格结构斜柱斜交角度在63°～76°范围时具较好的抗侧刚度,最佳斜交角度的取值有所提高；随斜交角度的增大,外筒平均竖向位移呈减小的趋势；结构抗扭能力随斜柱斜交角度增加而减小。随高宽比减小,最佳斜交角度有下降的趋势。 (3)平面形状对斜交网格结构体系整体刚度影响不大,对最佳斜交角度的选取及柱构件的轴力影响不大；随着平面各边夹角增大,斜柱的剪力和弯矩均呈明显的下降趋势,节点处拉梁的轴力亦呈下降趋势,平面接近圆形的布置较为有利。 (4)在应用斜交网格结构体系时,推荐选用圆形平面布置,斜柱斜交角度可取63°～69°,本文推导出的矩形平面斜交网格结构斜柱截面估算方法能够满足初步设计时的精度要求,是一种实用的估算方法。

目录

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声明

第一章绪论

1.1高层建筑及其结构体系的发展

1.1.1现代高层建筑的发展现状

1.1.2高层建筑结构体系的发展

1.2高层建筑斜交网格结构体系及其应用

1.2.1斜交网格结构体系的诞生

1.2.2斜交网格结构体系的特点

1.2.3高层建筑斜交网格结构体系的应用

1.3斜交网格结构体系研究现状

1.3.1工程应用研究

1.3.2理论研究

1.4本文的研究目的及论文结构

1.4.1本文的研究目的

1.4.2论文结构

第二章二维斜交网格框架的性能特征

2.1分析工具和模型建立

2.1.1二维结构弹性分析工具

2.1.2二维模型的建立

2.2竖向荷载下结构的性能特征

2.2.1竖向荷载下构件的内力

2.2.2竖向荷载下结构的刚度

2.3水平荷载下结构的性能特征

2.3.1水平荷载下构件的内力

2.3.2剪切型和弯曲型变形

2.3.3水平荷载下结构的刚度

2.4本章小结

第三章三维斜交网格结构模型布置

3.1结构三维分析和设计程序

3.3.1主要三维分析程序概述

3.1.2本文选用的三维分析程序

3.2分析模型典型楼层数的选取

3.3材料及单元类型的选择

3.4构件连接及斜柱计算长度

3.4.1荷载传递和构件连接

3.4.2斜柱计算长度

3.5模型的荷载布置

3.6模型结构布置及构件参数

3.6.1模型的结构布置

3.6.2构件截面及力学参数

3.7本章小结

第四章斜柱斜交角度与结构性能

4.1斜交角度的理论推导和分析方法

4.1.1合理斜交角度的理论推导

4.1.2合理斜交角度的分析方法

4.2第一组模型分析结果

4.2.1第一组模型刚度特征

4.2.2第一组模型内力特征

4.3第二组模型分析结果

4.3.1第二组模型刚度特征

4.3.2第二组模型内力特征

4.4两组模型结构型式的比较

4.5高宽比的影响

4.5.1高宽比影响的理论研究及分析方法

4.5.2设置角柱斜交网格结构分析结果

4.5.3不带角柱斜交网格结构分析结果

4.6本章小结

第五章平面形状与结构性能

5.1平面形状分析的目的

5.1.1平面布置的一般要求

5.1.2平面布置对斜交体系的影响

5.2分析方法及结构布置

5.2.1模型的分析方法

5.2.2模型的结构布置

5.3平面形状分析结果

5.3.1对整体刚度的影响

5.3.2对构件内力的影响

5.3.3减小楼层平面拉力的方法

5.4内外筒侧向刚度的分配

5.5本章小结

第六章矩形平面斜交体系斜柱截面估算

6.1斜交简体的剪力滞后现象

6.1.1剪力滞后现象产生的原因

6.1.2斜交框筒的剪力滞后现象

6.1.3减小斜交筒体剪力滞后的方法

6.2矩形外筒斜柱截面的估算方法

6.2.1腹板和翼缘的假定

6.2.2斜柱截面的估算

6.2.3层间位移角θe和曲率κ的确定

6.3初步设计方法的应用和比较

6.4本章小结

结论

研究成果

展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢