随着科技的进步和社会的发展, 高层钢结构与超高层钢结构建筑数量越来越多, 结构形式也越来越多样。为了满足人们新的需要, 马克俭院士提出了空间网格盒式结构, 该结构是一种新型的建筑结构形式, 包括钢空间网格盒式结构和混凝土空间网格盒式结构。为贯彻国家提出的节约型社会的方针和政策, 在钢空间网格盒式结构的基础上, 马克俭院士首次提出了一梯三户的高层经济节能住宅, 该住宅采用大跨度、大户型灵活划分房间的结构体系, 即新型高层装配式蜂窝型钢网格盒式双筒结构 (简称新型结构) , 国内外尚属首例。

　　 新型高层装配式蜂窝型钢网格盒式双筒结构的楼盖为蜂窝形空腹夹层板, 该楼盖的平面适应性强, 可以三向传递平面荷载、受力更加均匀, 富有韵律的网格造型具有很强的艺术表现力^[1], 与普通的楼盖相比有更好的稳定性^[2], 目前尚未对该新型结构进行研究。本文首次对新型结构的动力特性和抗震性能进行分析, 旨在为以后相关的研究和设计提供理论参考。建筑工程为一梯三户的高层钢结构住宅, 建筑平面图如图1所示, 层高为3.2m, 共21层, 结构总高度67.2m。

　　 新型结构水平屋盖体系为钢结构蜂窝形空腹夹层板^[3], 外围由密柱框架筒构成, 楼梯间、电梯间为钢筋混凝土筒体, 钢筋混凝土筒不在框架筒的内部, 并且采用装配式施工, 新型结构的平面图见图2。

　　 新型结构楼板为蜂窝形空腹夹层板, 与钢筋混凝土筒体结构协同受力, 钢筋混凝土筒楼梯间突出墙面的部分可以作为造型使用。

　　 新型结构的水平体系是一种新型楼盖体系-钢结构蜂窝形空腹夹层板, 该楼盖体系由蜂窝形单元网格组成, 主要包括表层薄板、上肋、下肋以及剪力键, 上肋与下肋之间通过剪力键相连接, 如图3所示。该体系可以提前在工厂预制, 然后运到施工现场进行装配, 安装速度快, 节约工期;上下肋之间的空腹可以设置管线、自动喷淋等, 一定程度上节约装饰成本。

　　 新型结构的竖向框架体系由框架柱、层间梁与框架梁构成, 混凝土筒体结构为开洞口的全截面剪力墙, 剪力墙刚度较大, 并且可以与周围钢结构框架协同工作, 可以大大提高结构的整体刚度。层间梁的设置加强了柱与柱之间的约束, 可以进一步增加结构的整体刚度。层间梁在遇到门洞时可以去掉下部层间梁以及调整上部层间梁来适应, 遇到窗洞时可以调整上下层间梁间距或者去掉上部层间梁来适应窗户洞口大小, 建议下部层间梁的底部与窗台平齐。鉴于个别窗户、门洞断开处的层间梁对结构整体的影响较小, 本文不再考虑连梁断开的影响, 建模分析时假定均有两道层间梁且贯通, 新型结构首层模型示意图如图4所示。

　　 结构相关的软件可以分为两类, 一类是专业的设计软件, 另一类则是通用的分析软件。结构设计软件如PKPM, MIDAS Building软件等, 这类软件对于普通的结构分析与设计非常实用, 但对于带层间梁的空腹夹层板结构体系来说无法模拟蜂窝形空腹夹层板楼盖。这类软件对层的概念要求很高, 分析空腹夹层板时, 如果将上下肋分为两个标准层, 那么软件分析出错, 无法进行;若上下肋与剪力键如果处于同一楼层, 那么程序就会默认为剪力键为悬空柱, 从而导致计算无法进行。因此在采用这些软件分析时, 大多采用实用的等刚度的原则, 将上下肋等代为实腹梁进行研究计算。

　　 通用分析软件如ANSYS, ABAQUS以及MIDAS Gen等对层的概念要求不高, 可以完整地模拟空腹夹层板楼盖而不用进行等效, 结构计算结果会更加精确。本文基于大型通用有限元软件ANSYS^[4], 分析研究新型高层装配式蜂窝型钢网格盒式双筒结构动力特性与抗震性能, 并与普通结构作抗震性能的对比。

　　 结构整体存在过渡区域, 下部结构地下室与上部结构为钢筋混凝土与钢结构的过渡, 在分析考虑时, 只考虑上部结构, 计算基本假定如下^[5]:1) 钢材与混凝土为理想的弹性材料;2) 楼板采用平面内无限刚度假定;3) 上部结构与下部结构连接牢固, 假定结构底部的约束为固接。

　　 建筑使用净高为2.7m, 结构层高为3.2m, 其中蜂窝形空腹夹层板楼盖高度取0.5m, 在楼层向上1m和2.2m处各设立一道层间梁将结构沿竖向划分为3格, 结构构件的具体尺寸见表1。

　　 假定结构与地面固接, 采用单质点反应谱方法, 计算水平地震作用下结构的自振频率和周期, 按照《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[6]5.1.5条规定取结构的地震加速度值。该结构所在的场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第一组, 特征周期T_g=0.35s, 结构阻尼比取0.05, 抗震设防烈度为7度, 水平地震影响系数最大值α_max=0.08, 振型组合方法为SRSS, 计算振型个数为15个, 考虑高阶振型的影响。

　　 新型结构模型有、无设置层间梁求得的前6阶周期见表2。由表2可知, 设置层间梁新型结构的第一阶振型以Y向平动为主, 第二阶振型以X向平动为主, 第三阶振型以扭转为主;结构的周期比为0.626/1.332=0.470, 《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[7] (简称高规) 规定, 第一扭转为主与第一平动为主的周期比小于0.9, 结构显然满足规范要求, 说明新型结构的抗扭刚度比较大;结构前两阶周期比:1.172/1.332=0.88, 表明该结构X, Y两个方向的抗侧移刚度相接近, 结构扭转刚度较好。

　　 未设置层间梁新型结构的周期与设置层间梁的新型结构相比大, 说明层间梁对结构刚度有很大影响, 增加层间梁可以提高结构的刚度, 周期比也满足高规3.4.5条的要求。

　　 结构在X, Y向地震作用下的楼层位移随楼层的变化如图5所示, 由图5可知, 新型结构和普通结构的变形均为弯剪型^[8], 结构的X, Y方向的最大楼层位移分别为13.291, 14.808mm, 满足67.2mm的限值要求。由图5 (a) 可知, X向楼层位移曲线最大值与平均值比的最大值发生在1层, 比值为0.364/0.279=1.30;由图5 (b) 可知, Y向楼层位移曲线最大值与平均值基本重合, 说明最大值与平均值的比大约为1, 满足高规规定的B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑的楼层位移最大值不应大于该楼层位移平均值的1.4倍的要求, 说明结构的抗侧力刚度合理, 能够保持在弹性范围内, 并且核心筒与两侧网格式框架筒协同空腹夹层板变形协调。

　　 新型结构层间位移角如图6所示, 由图6可知, X, Y向地震作用下, 结构的层间位移角^[9]的变化趋势相同:随楼层升高, 先增大而后减小。X向的最大层间位移角发生在6层, 最大值为1/4 150, 对应的该楼层层间位移为0.771mm;Y向的最大层间位移角发生在9层, 最大值为1/3 755, 对应的该楼层层间位移为0.852mm。高规规定层间位移角最大值为1/1 000, 结构均满足规范要求。

　　 由于计算时考虑了偏心作用, 新型结构X, Y向最大层间位移角出现的层数接近, 说明结构在X, Y向的侧向刚度沿竖向相近;最大层间位移角与最大层间位移均满足规范要求, 说明新型结构抗扭刚度大, 质量与刚度布置均匀。

　　 在新型结构自身特性研究的基础上, 建立普通结构模型进行对比, 如图7所示, 结构的柱截面和框架梁截面同新型结构相同, 一级次梁的截面为H350×350×12×19, 二级次梁的截面为H300×300×10×15, 标准层楼板板厚为100mm, 顶层楼板板厚为120mm, 剪力墙厚度为250mm。为了保证两种结构具有可比性, 遵循以下原则:1) 房屋的建筑尺寸不变, 一梯三户, 楼电梯间做成混凝土筒体;2) 建筑结构的柱网按照常规布置, 构件尺寸按照规范进行选取;3) 保持新旧结构的层高3.2m不变。

　　 表3为两种结构的前三阶模态结果, 数据表明:新型结构体系与普通结构体系第一阶周期的比值为1.332/1.375=0.968, 新型结构的抗侧刚度与普通结构的相近。高规规定第一扭转为主与第一平动为主的周期比小于0.9, 两种结构均能满足要求。

　　 两种结构楼层位移沿楼层的分布如图8所示, 由图8可知, 两种结构体系变形趋势基本呈弯剪型^[7]。X向地震作用下, 新型结构楼层位移均小于普通结构, 新型结构和普通结构的楼层位移最大值均发生在顶层, 分别为11.31, 17.74mm, 最大差值出现在21层, 为6.43mm;Y向地震作用下, 新型结构楼层位移也均小于普通结构, 新型结构和普通结构的楼层位移最大值均发生在顶层, 分别为14.742, 19.927mm, 最大差值出现在21层为5.185mm。由此说明, 两种结构满足最大楼层位移的要求;相比普通结构, 新型结构的抗侧刚度大, 质量和刚度分布更加均匀合理, 这是由于新型结构四周设置的层间梁与框架柱有效地组成空间体系, 使结构的整体刚度更大。

　　 由图9可知, X向地震作用下, 新型结构和普通结构的层间位移角随楼层升高, 均先增大后减小, 新型结构相邻层的层间位移角变化均匀, 最大层间位移角出现在6层, 为1/4 150, 而普通结构相邻层的层间位移角变化较大, 最大层间位移角出现在15层, 为 1/3 114;新型结构层间位移角开始大于普通结构, 6层以上新型结构的层间位移角小于普通结构。

　　 Y向地震作用下, 新型结构和普通结构层间位移角随楼层升高, 均先增大后减小, 新型结构相邻层的层间位移角变化均匀, 最大层间位移角出现在9层, 为1/3 755, 而普通结构相邻层的层间位移角变化较大, 最大层间位移角出现在16层, 为1/3 651, 新型结构层间位移角开始小于普通结构。以上分析表明, 两种结构都满足高规规定的层间位移角限值1/1 000的要求, 但是新型结构的层间位移角变化更加均匀, 再次说明新型结构的质量和刚度沿竖向分布更加合理。

　　 普通结构钢材用量为1 420.2t, 钢筋混凝土用量为1 687.9m³;新型结构的钢材用量为1 480.6t, 钢筋混凝土用量为1 360.9m³。两种结构的钢材用量差为 (1 480.6-1 420.2) /1 480.6×100%=4%, 小于5%, 用钢量相近, 钢筋混凝土用量相差337m³, 节约19.97%的钢筋混凝土用量。

　　 结构层高3.2m相同的情况下, 新型结构的空腹夹层内可以走管线, 设置喷淋, 不需要再进行吊顶处里, 可以保持结构的净高为2.7m, 室内无梁、柱, 并且可以自由划分网格;而普通结构由于吊顶占用一部分净高, 因此很难满足净高的要求, 也会增加一定的装饰费用。

　　 (1) 通过对新型高层装配式蜂窝型钢网格盒式双筒结构周期分析可知:钢筋混凝土筒没有在中心, 但周期比远比规范规定小得多, 结构的抗扭性能较好。

　　 (2) 在多遇地震作用下, 新型结构变形呈弯剪型, 核心筒与两侧网格式框架筒通过空腹夹层板进行变形协调, 最大楼层位移和层间位移角均较小, 满足高规要求, 表明结构的抗震性能良好。在楼层中间设置层间梁, 可以有效地提高结构的整体刚度。

　　 (3) 通过对比新型结构和普通结构的抗震性能可知, 虽然两种结构都满足规范要求, 但是新型结构层间位移角和层间位移均比普通结构的要好;而且新型结构的空间能灵活划分, 功能适应性更强。

　　 (4) 综合分析新型结构自身动力性能和抗震性能可知, 该结构布置合理, 抗扭刚度大, 竖向刚度和质量分布均匀;周期比、层间位移和层间位移角均满足规范要求, 说明该结构可以应用到实践, 具有很好的使用价值。