高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系剪力滯后效應(yīng)研究
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史慶軒， 任 浩， 戎翀
（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安710055）
[摘要] 利用SAP2000建立不同幾何參數(shù)的高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型，在水平風(fēng)荷載作用下對其進(jìn)行彈性分析。介紹了高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后現(xiàn)象與基本特點(diǎn)，研究了高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下剪力滯后效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，并與框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)進(jìn)行對比。分析了斜柱角度、主環(huán)梁跨高比、結(jié)構(gòu)高寬比、結(jié)構(gòu)長寬比以及有無角柱對高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：與框筒結(jié)構(gòu)相比，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)較��；在側(cè)向剛度最優(yōu)區(qū)間內(nèi)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比隨斜柱角度的增大而增大，當(dāng)斜柱角度超過約80°時，隨著斜柱角度的增加底層剪力滯比迅速增大；斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)高寬比越大，結(jié)構(gòu)底層剪力滯比越小；斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)長寬比越大，結(jié)構(gòu)底層剪力滯比越大，剪力滯后效應(yīng)越明顯。
0 引言
隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的不斷增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移限制就越難滿足，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度成為影響高層結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要因素。高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系具有強(qiáng)大的抗側(cè)剛度。然而斜交網(wǎng)格筒作為該體系的重要受力組成部分，受力機(jī)制尚不明確。作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，與常規(guī)結(jié)構(gòu)體系相比，外筒結(jié)構(gòu)形式、受力機(jī)理、傳力路徑等存在明顯差異�？蛲步Y(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)削弱了其空間整體作用，使一些柱的承載能力得不到充分發(fā)揮，降低了框筒抵抗水平荷載的能力。對于傳統(tǒng)的框筒結(jié)構(gòu)，剪力滯后效應(yīng)已有較多的研究成果。但對于高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系剪力滯后效應(yīng)的研究甚少且研究成果不完善。對于這種新型的結(jié)構(gòu)體系缺少一種剪力滯后表征。
高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系不同于傳統(tǒng)的梁柱結(jié)構(gòu)體系，是由斜向相交的斜柱和水平環(huán)梁組合而成。在側(cè)向荷載作用下斜交網(wǎng)格筒翼緣和腹板斜柱軸力呈交錯分布現(xiàn)象，如果直接用斜柱軸力的分布來探討斜交網(wǎng)格筒的剪力滯后效應(yīng)是比較困難的。本文提出斜柱相交節(jié)點(diǎn)力（簡稱節(jié)點(diǎn)力）的概念，用節(jié)點(diǎn)力代替斜柱軸力來分析高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)，更能體現(xiàn)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布。通過SAP2000建立了不同斜柱角度、主環(huán)梁跨數(shù)、結(jié)構(gòu)高寬比、結(jié)構(gòu)長寬比以及有無角柱的高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型，并與框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)進(jìn)行了對比。通過分析，明確了影響高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)的關(guān)鍵因素。
1 高層斜交網(wǎng)格筒的剪力滯后表征
已有研究認(rèn)為，框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后產(chǎn)生的原因是：翼緣框架各柱和窗裙梁的內(nèi)力是由角柱傳來，角柱受拉，使與其相連的裙梁承受剪力，同時又使與裙梁相連的第二根柱受拉，如此傳遞。這種傳遞造成中柱的軸力減小，角柱軸力增大。傳遞作用的強(qiáng)弱受裙梁的抗剪剛度影響明顯，即增大裙梁的抗剪剛度，變形的傳遞能力越強(qiáng)，剪力滯后效應(yīng)越不明顯。對于斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)而言，斜柱軸力的傳遞不僅通過環(huán)梁而且通過雙向布置的斜柱直接來傳遞。由于斜柱的抗拉（壓）剛度大于環(huán)梁的抗剪剛度，所以斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)翼緣斜柱軸力從邊緣向中間的傳遞比框筒結(jié)構(gòu)翼緣框架各柱軸力的傳遞更直接，在側(cè)向荷載作用下剪力滯后效應(yīng)更小，結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布更加均勻。
對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，一般結(jié)構(gòu)底部受傾覆力矩控制，傾覆力矩主要是由結(jié)構(gòu)底部柱的軸力來抵抗的。高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的柱是斜向布置的，一般更關(guān)注于結(jié)構(gòu)底部斜柱軸力沿豎向分量的分布情況，又因為本文只討論等角度斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所以斜柱軸力沿豎向分量的分布規(guī)律與斜柱軸力的分布規(guī)律是相同的。因此，只需要討論結(jié)構(gòu)底部斜柱軸力的分布規(guī)律。
相比于框筒結(jié)構(gòu)，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)由斜向交叉布置的斜柱和水平環(huán)梁組成。在側(cè)向荷載作用下，同一樓層斜柱的軸力呈現(xiàn)交錯分布現(xiàn)象，離散性大。如果直接用斜柱的軸力分布來分析剪力滯后效應(yīng)，那么難以體現(xiàn)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布。基于同一樓層兩根相交斜柱軸力之和或其平均值分析剪力滯后效應(yīng)，可以避免斜柱軸力交錯分布對剪力滯后效應(yīng)分析帶來的干擾，且相比于直接基于斜柱軸力分析剪力滯后，更能體現(xiàn)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布。
根據(jù)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下斜柱軸力的分布特點(diǎn)，以及為了避免斜柱軸力交錯分布對剪力滯后效應(yīng)分析帶來的干擾，取節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行剪力滯后效應(yīng)分析。本文將斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)翼緣立面同一樓層內(nèi)立面角部節(jié)點(diǎn)力與立面中部節(jié)點(diǎn)力之比定義為剪力滯比。節(jié)點(diǎn)力通過同一樓層兩根相交斜柱軸力之和來計算。節(jié)點(diǎn)力和剪力滯比的關(guān)系式如下：
式中：λ為剪力滯比；Fo為翼緣立面邊節(jié)點(diǎn)力；F1為翼緣立面中間節(jié)點(diǎn)力。
2 研究模型
目前國內(nèi)外已有多個斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，本文參考國內(nèi)外已有工程實(shí)例，利用SAP2000建立一般的高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型。模型一（斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)）：層高4m，共32層，主環(huán)梁跨數(shù)N=6，每跨6m，斜交網(wǎng)格筒平面尺寸36m×36m，每個模塊含4個標(biāo)準(zhǔn)層，斜柱與水平方向夾角69.44°，斜柱與斜柱之間以及斜柱與環(huán)梁之間均采用剛性連接。為了對比高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)，建立模型二（框筒結(jié)構(gòu)）：層高4m，共32層，采用12跨，每跨3m，平面尺寸36m×36m，柱采用Q345圓形鋼管。材料選取如表1所示。分別對斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)施加相同的水平風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓取0.45kN/m2。各模型均滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。各模型立面形狀如圖1所示。
為了研究斜柱角度、主環(huán)梁跨高比等因素對高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)體系剪力滯后效應(yīng)的影響，在上述斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，分別建立主環(huán)梁跨數(shù)N=4，6，8的不同斜柱角度的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型，各模型平面尺寸均為36m×36m，層高均為4m，結(jié)構(gòu)高寬比均為3.56。各模型均采用相同材料，材料選取如表1所示，斜柱與斜柱之間以及斜柱與環(huán)梁之間均采用剛性連接，各模型均滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，模型幾何參數(shù)如表2所示。
3 結(jié)果及分析
3.1斜柱軸力和節(jié)點(diǎn)力的分布特點(diǎn)
分別對高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)和框筒結(jié)構(gòu)各模型施加相同的水平風(fēng)荷載，基本風(fēng)壓取0.45kN/m2。為了說明斜柱軸力分布和節(jié)點(diǎn)力分布之間的關(guān)系，在模型一中分別選取了3層與23層為例，用節(jié)點(diǎn)力均值代替節(jié)點(diǎn)力（節(jié)點(diǎn)力均值=節(jié)點(diǎn)力/2），斜柱軸力和節(jié)點(diǎn)力均值的分布關(guān)系如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，在水平風(fēng)荷載作用下斜柱軸力呈交錯分布�；诠�(jié)點(diǎn)力對斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)進(jìn)行分析更為簡便，且能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力分布。
3.2斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)與框筒結(jié)構(gòu)剪力滯后的比較
與框筒結(jié)構(gòu)分布規(guī)律大致相同，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的正剪力滯后一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的下部，負(fù)剪力滯后一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中上部。斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)各層節(jié)點(diǎn)力和框筒結(jié)構(gòu)各層柱軸力的分布情況如圖4所示，從圖4中可以看出，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分布比較均勻，在結(jié)構(gòu)翼緣平面的底部出現(xiàn)剪力滯后現(xiàn)象，與框筒結(jié)構(gòu)相比，剪力滯后效應(yīng)較小。翼緣平面的中部和上部出現(xiàn)不太明顯的負(fù)剪力滯后現(xiàn)象，并且從斜交網(wǎng)格筒翼緣的底部到中上部表現(xiàn)為從邊節(jié)點(diǎn)力大于中部節(jié)點(diǎn)力的剪力滯后逐漸過渡到邊節(jié)點(diǎn)力小于中部節(jié)點(diǎn)力的負(fù)剪力滯后。
斜交網(wǎng)格筒和框筒結(jié)構(gòu)剪力滯比沿樓層的分布情況如圖5所示，從圖5可以看出，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯比與框筒結(jié)構(gòu)相比更接近于1，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更加均勻。斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比約為框筒結(jié)構(gòu)的1/3。斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯比隨樓層高度的增大逐漸減小。在5層以上，剪力滯比小于1，即出現(xiàn)立面邊節(jié)點(diǎn)力小于立面中部節(jié)點(diǎn)力的負(fù)剪力滯后現(xiàn)象。
3.3斜柱角度和主環(huán)梁跨高比對斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)的影響
隨著斜柱角度的增加，斜柱軸力沿水平方向上的分量減小而沿豎向的分量增大，翼緣斜柱軸力從兩邊腹板向中間傳遞的能力減弱，結(jié)構(gòu)形式更接近于框筒結(jié)構(gòu)。對于斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)而言，翼緣斜柱軸力在水平方向上分別通過環(huán)梁和雙向布置的斜柱來傳遞。由于斜柱的抗拉（壓）剛度大于梁的抗剪剛度，所以這種變形從翼緣邊緣向中間的傳遞與框筒結(jié)構(gòu)相比更直接，在側(cè)向荷載作用下剪力滯后效應(yīng)更小，結(jié)構(gòu)整體的內(nèi)力分布更均勻。當(dāng)斜柱角度增大時，軸力通過斜柱傳遞所占比例減小，而通過連梁傳遞所占比例增大，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)翼緣的內(nèi)力傳遞機(jī)理更接近于框筒結(jié)構(gòu)。
對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，一般底部受傾覆力矩控制，頂部受剪力控制，框筒結(jié)構(gòu)的傾覆力矩主要依靠結(jié)構(gòu)底部柱的軸力來抵抗，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的傾覆力矩主要依靠結(jié)構(gòu)底部斜柱軸力沿豎向的分力來抵抗。因而對于整個結(jié)構(gòu)而言，底部斜柱軸力的分布情況更為關(guān)鍵。同時，通過上述分析可得，高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底部剪力滯后效應(yīng)較其他部位明顯。為了分析斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)隨斜柱角度和主環(huán)梁跨高比的變化規(guī)律，本節(jié)建立19種不同斜柱角度和主環(huán)梁跨高比的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型，通過分析水平風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)底層節(jié)點(diǎn)力的分布情況，得出了斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)隨斜柱角度和主環(huán)梁跨高比的變化規(guī)律。
以主環(huán)梁跨數(shù)N=6，8(主環(huán)梁跨高比L/H=15，11. 25)為例（主環(huán)梁跨高比//H= 22.5情況與之相同，故省略）。斜交網(wǎng)格筒的受拉翼緣和腹板底層節(jié)點(diǎn)力的分布如圖6，7所示。由節(jié)點(diǎn)力的分布規(guī)律可得，隨著斜柱角度的增大，底層節(jié)點(diǎn)力分布更不均勻，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比隨斜柱角度的增大而增大。斜柱角度的變化對斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)影響較明顯，但并不影響底層節(jié)點(diǎn)力的分布規(guī)律。
以主環(huán)梁跨高比L/H= 15，11. 25為例（主環(huán)梁跨高比L/H= 22.5情況與之相同，故省略），不同斜柱角度剪力滯比沿樓層高度的分布情況如圖8所示，由圖可得，除了斜柱角度為53. 13°和60. 64°的斜交網(wǎng)格筒外，其余斜柱角度的斜交網(wǎng)格筒剪力滯比隨樓層的降低而增大，同一斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底部的剪力滯比最大，剪力滯后效應(yīng)最明顯。這與框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)沿樓層的分布規(guī)律大致相同。
高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比隨斜柱角度和主環(huán)梁跨高比的變化情況如圖9所示。當(dāng)斜柱角度較小時，結(jié)構(gòu)底層剪力滯比比較小。除個別較小的斜柱角度外，剪力滯比隨斜柱角度的增大而增大。當(dāng)斜柱角度小于75 0時，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比約為1.5~2.5，與框筒結(jié)構(gòu)相比幾乎可以忽略；當(dāng)斜柱角度超過約80。時，隨著斜柱角度的增加底層剪力滯比迅速增大，底層斜柱軸力不均勻程度更加嚴(yán)重。黃超等=認(rèn)為無角柱斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度最優(yōu)時斜柱角度區(qū)間為63。~ 76。。在該斜柱角度區(qū)間內(nèi)剪力滯比在一個相對比較低的范圍(1.5~2.=5)。隨著斜柱角度的增大，受拉翼緣斜柱的軸力在水平方向上的傳遞通過環(huán)梁傳遞的比例增加，而通過斜柱傳遞的比例減小，結(jié)構(gòu)形式愈接近于框筒結(jié)構(gòu)，所以剪力滯比也隨之增大。因此在設(shè)計中應(yīng)盡量避免斜柱角度過大。同時，由圖9還可得出，剪力滯比隨斜柱角度的變化情況受主環(huán)梁跨高比的影響不大。隨著主環(huán)梁跨高比的減小，剪力滯后效應(yīng)有所增加。引起筒體結(jié)構(gòu)剪力滯后的原因是沿翼緣方向上的抗側(cè)力剛度不均勻，雖然隨著主環(huán)梁跨數(shù)的增多，梁的跨高比減小，梁的剪切剛度增大，但主環(huán)梁跨高比減小時，斜柱布置更加密集，腹板平面內(nèi)抗側(cè)剛度增強(qiáng)，導(dǎo)致沿著斜交網(wǎng)格筒翼緣方向抗側(cè)剛度更加不均勻，從而剪力滯后效應(yīng)更加明顯。
3.4高寬比對高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)的影響
通過改變結(jié)構(gòu)的總樓層數(shù)來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)高寬比的變化。在上述主環(huán)梁跨數(shù)N=6的一組模型的基礎(chǔ)上，增加總樓層數(shù)n= 47，62兩組模型。材料選取如表1所示。斜柱與斜柱之間以及斜柱與環(huán)梁之間均采用剛性連接。各模型均滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。模型幾何參數(shù)如表3所示。
不同高寬比下結(jié)構(gòu)底層剪力滯比隨斜柱角度的變化規(guī)律如圖10所示，隨著高寬比的增大，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比逐漸減小，而且斜柱角度越大，減小的幅度就越大。當(dāng)斜柱角度小于70°時，高寬比對結(jié)構(gòu)底層剪力滯比的影響不大。當(dāng)斜柱角度小于75°時，各種高寬比的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比約為1.5~2.5。
不同高寬比下腹板底層節(jié)點(diǎn)力隨斜柱角度的變化規(guī)律如圖11所示，斜柱角度變化對腹板底層節(jié)點(diǎn)力的分布狀況影響不大，節(jié)點(diǎn)力的大小略有變化。隨著結(jié)構(gòu)高寬比的增大，腹板平面底層兩邊內(nèi)力逐漸增大，這是由于高寬比越大結(jié)構(gòu)底部的傾覆力矩越大，從而引起結(jié)構(gòu)底部斜柱的軸力越大。
3.5長寬比對高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)的影響
為了分析長寬比對高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)的影響，在上述主環(huán)梁跨數(shù)N=6斜柱角度為69. 44°的斜交網(wǎng)格筒模型的基礎(chǔ)上，通過改變模型平面尺寸來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)長寬比的變化，增加三種不同的平面尺寸模型：36m×54m，36×72m，36×90m，即結(jié)構(gòu)的長寬比分別為1.5，2.0，2.5。各模型均滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求�？梢缘玫讲煌L寬比的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯比沿樓層高度的分布情況如圖12所示。由圖12可得，隨著結(jié)構(gòu)長寬比的增大，結(jié)構(gòu)底部的剪力滯比逐漸增大。隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，長寬比的不同所引起的剪力滯比的差異逐漸減小，但在結(jié)構(gòu)的頂部剪力滯比的差異突然增大，差異的大小和結(jié)構(gòu)的底部相當(dāng)。長寬比越大，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)越明顯，這與框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)受長寬比的影響是一樣的。
不同長寬比的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層節(jié)點(diǎn)力的分布如圖13所示；不同長寬比結(jié)構(gòu)的受拉翼緣底層剪力滯比如表4所示。從圖13(a)和表4可以明顯得出，隨著斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)長寬比的增加，結(jié)構(gòu)底層剪力滯比逐漸增大，剪力滯后效應(yīng)愈明顯。所以對于高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)，正方形平面是所有矩形平面中剪力滯后效應(yīng)最理想的平面形狀。從圖13(b)可以得出結(jié)構(gòu)長寬比越大，高層斜交網(wǎng)格筒腹板底層邊節(jié)點(diǎn)力的絕對值越大。
3.6角柱剛度對高層斜交網(wǎng)格筒剪力滯后效應(yīng)的影響
為了分析高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)受角柱剛度影響的變化規(guī)律。在上述模型N=6斜柱角度為69. 44°結(jié)構(gòu)平面尺寸36m×36m的基礎(chǔ)上，增加不同截面尺寸的角柱，得到三種帶角柱模型如表5所示，然后施加相同的水平風(fēng)荷載。對帶角柱和不帶角柱斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)進(jìn)行對比分析，并且研究帶角柱斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)隨角柱剛度的變化規(guī)律。
由于角柱為不同于斜柱的豎向承重構(gòu)件，角柱軸力的方向與水平方向之間的夾角為90°，斜柱軸力的方向與水平方向之間的夾角為斜柱的傾角θ。所以在分析帶角柱斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)時，不能使用相交斜柱軸力之和得到的節(jié)點(diǎn)力來探討剪力滯后效應(yīng)。在分析帶角柱斜交網(wǎng)格筒的剪力滯后效應(yīng)時，將斜柱軸力根據(jù)式(2)和式(3)換算為斜柱軸力的豎向分量，然后用相交于同一節(jié)點(diǎn)的兩根斜柱軸力的豎向分量之和，即節(jié)點(diǎn)力的豎向分量來探討剪力滯后效應(yīng)。
式中：FN為斜柱軸力；FNy為斜柱軸力的豎向分量；θ為斜柱的傾角；a為子模塊所含標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)；h為層高；6為主環(huán)梁單跨長度。
本節(jié)所選的模型θ= 69. 44°，a=4，b=6m，h=4m。通過上述方法得到了有無角柱四種不同斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型，在水平風(fēng)荷載作用下，受拉翼緣底層節(jié)點(diǎn)力豎向分量的分布如圖14所示。
從圖14可以得出，有無角柱對于斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)有較大影響，增設(shè)角柱后，翼緣底層邊節(jié)點(diǎn)力明顯增大，中部節(jié)點(diǎn)力有所減小，從而使受拉翼緣底層剪力滯比增大。但是，除邊節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)力分布的均勻程度與無角柱模型大致相同。角柱對受拉翼緣邊節(jié)點(diǎn)力的影響要明顯大于對其他節(jié)點(diǎn)力的影響。
有無角柱斜交網(wǎng)格筒模型底層剪力滯比如表6所示。可以得出，增設(shè)角柱能夠使結(jié)構(gòu)翼緣底層的剪力滯比增大約1.6~2.0倍，并且剪力滯比增大的程度和角柱的剛度有關(guān)系。隨著角柱剛度的增大，剪力滯比逐漸增大，但是影響程度小于有無角柱對結(jié)構(gòu)剪力滯比的影響。
4 結(jié)論
本文主要基于SAP2000建立了不同斜柱角度、主環(huán)梁跨數(shù)、高寬比、長寬比以及有無角柱的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型。在水平風(fēng)荷載作用下，通過節(jié)點(diǎn)力和剪力滯比的變化規(guī)律來分析斜交網(wǎng)格筒的剪力滯后效應(yīng)，得出以下結(jié)論：
(1)與框筒結(jié)構(gòu)相比斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)較小。在相同的水平風(fēng)荷載作用下，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比約為框筒結(jié)構(gòu)的1/3。斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)剪力滯比隨著樓層的增高而逐漸減小，底層剪力滯比最大，在結(jié)構(gòu)的中上部出現(xiàn)負(fù)剪力滯后現(xiàn)象。在水平風(fēng)荷載作用下，與框筒結(jié)構(gòu)相比，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的剪力滯比更接近于1，說明在水平風(fēng)荷載作用下斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)的空間作用性能更好。
(2)隨著斜柱角度的增加斜交網(wǎng)格筒底層節(jié)點(diǎn)力的分布更加不均勻，結(jié)構(gòu)底層剪力滯比隨斜柱角度的增大而增大。當(dāng)斜柱角度小于75°時，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比約為1.5~2.5，與框筒結(jié)構(gòu)相比幾乎可以忽略；當(dāng)斜柱角度超過約80°時，隨著斜柱角度的增加底層剪力滯比迅速增大，底層斜柱軸力不均勻程度更加嚴(yán)重，因此在設(shè)計中應(yīng)盡量避免斜柱角度過大。
(3)斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比受主環(huán)梁跨高比變化影響較小。隨著主環(huán)梁跨高比的減小，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)底層剪力滯比略有增大。斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)高寬比越大底層剪力滯比越小，當(dāng)斜柱角度小于約70°時，高寬比對結(jié)構(gòu)底層剪力滯比的影響不大；長寬比越大結(jié)構(gòu)底層剪力滯比越大，剪力滯后效應(yīng)越明顯。增設(shè)角柱能夠使結(jié)構(gòu)翼緣底層的剪力滯比增大約1.6~2.0倍，并且角柱剛度越大結(jié)構(gòu)剪力滯后效應(yīng)越明顯。
