本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域中超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體地說，是涉及一種穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法，用于解決巨型穿層構(gòu)件(柱、支撐)驗算時計算長度系數(shù)的取值問題。
背景技術(shù)：
：穿層構(gòu)件又稱越層構(gòu)件、跨層構(gòu)件，是指構(gòu)件在穿越樓面時，沒有受到其他構(gòu)件約束(樓面板、樓面梁、支撐等)，或約束的剛度相對構(gòu)件本身較低的情況。在超高層結(jié)構(gòu)中，穿層構(gòu)件主要是指巨型鋼管混凝土柱以及巨型斜撐，在相鄰腰桁架之間的樓板和樓面梁相對于這些巨型構(gòu)件剛度較低，起不到有效的約束作用。計算長度系數(shù)的取值是超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中一項非常重要的問題，主要涉及到穿層柱以及支撐的承載力驗算。在超高層結(jié)構(gòu)中，穿層柱和巨型支撐是結(jié)構(gòu)外框的主要構(gòu)成部分，承擔(dān)了大量的軸力、彎矩和剪力，計算長度系數(shù)的選取會對截面設(shè)計產(chǎn)生很大影響，這對于結(jié)構(gòu)的安全和造價都是至關(guān)重要的。目前與計算長度系數(shù)相關(guān)的主要規(guī)范包括：《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》、《鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》。在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，柱的計算長度系數(shù)主要是依據(jù)柱與梁的線剛度之比，以及是否有側(cè)移?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》指出非鋼管混凝土構(gòu)件應(yīng)參照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對于鋼管混凝土構(gòu)件則分為有側(cè)移、無側(cè)移進行計算?！陡邔用裼媒ㄖ摻Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》同樣是依據(jù)梁柱的線剛度之比，但考慮了高層鋼結(jié)構(gòu)中特有的一些情況，如橫梁軸力較大時需進行剛度折減?！陡邔咏ㄖ?混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》也對圓形鋼管混凝土柱做出了規(guī)定，但不是以計算長度的形式，而是直接根據(jù)長細比給出了承載力折減系數(shù)對于考慮偏心的情況也給出了的計算公式?！朵摴芑炷凉こ淌┕べ|(zhì)量驗收規(guī)范》中的規(guī)定方式與《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》大體相似，但更加保守。無論采用哪種規(guī)范，都只是一種近似的計算方法，均無法全面考慮結(jié)構(gòu)整體對于構(gòu)件約束條件的影響，導(dǎo)致的結(jié)果是，采用不同規(guī)范、不同假定計算出來的結(jié)果差距很大，給實際操作中帶來了很大困惑。隨著計算機性能的提高，目前主流的計算思想是基于力學(xué)中的經(jīng)典理論歐拉屈曲公式，根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)情況更加精確的計算構(gòu)件計算長度系數(shù)，但對于具體的操作方式上，各大設(shè)計院方法不一，尺度自行拿捏，未形成公認的規(guī)范做法，結(jié)果也有很大差異。廣東省建筑設(shè)計院曾對某41層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的巨柱計算長度進行了研究，采用不同規(guī)范以及歐拉公式時結(jié)果如下：樓層110203041規(guī)范無側(cè)移0.620.610.700.450.40規(guī)范有側(cè)移1.905.295.244.893.46歐拉公式0.561.090.890.901.06總體上歐拉公式計算結(jié)果都比規(guī)范無側(cè)移計算結(jié)果要大，上部相差特別明顯，頂層歐拉公式結(jié)果比規(guī)范無側(cè)移結(jié)果大165％。由此可見結(jié)構(gòu)上部若按照無側(cè)移框架柱計算鋼管柱承載力，偏不安全。按規(guī)范有側(cè)移框架柱的計算結(jié)果遠大于規(guī)范無側(cè)移和歐拉公式的計算結(jié)果，甚至比2倍的歐拉公式結(jié)果還要大很多?？梢姲凑找?guī)范有側(cè)移計算明顯偏保守，鋼管柱承載力的安全儲備過大，不合理。對于巨型構(gòu)件而言，柱的線剛度通常比梁大出很多，使用基于線剛度之比的規(guī)范條文會產(chǎn)生不合理的結(jié)果。采用有側(cè)移的假定時，計算長度系數(shù)將接近6，無側(cè)移時則接近1，差異巨大。此時，則應(yīng)采用歐拉公式。在超高層結(jié)構(gòu)中，主要解決的是巨型鋼管混凝土柱的計算長度系數(shù)問題。目前主流的加載方式有以下幾種：(一)要計算的構(gòu)件兩端施加一對單位荷載反力。這樣做的優(yōu)點在于容易捕獲明確的構(gòu)件屈曲模態(tài)，是目前各大設(shè)計院最常采用的方式。(二)在選定區(qū)的巨柱頂部施加單位荷載。在實際結(jié)構(gòu)中，柱頂?shù)妮S力是要一直向下傳遞的，這一點上比方法(一)更貼近實際，但捕捉到的模態(tài)以整體失穩(wěn)為主，構(gòu)件級別的失穩(wěn)不明確，這是與方法(一)有所區(qū)別之處，用整體失穩(wěn)的指標(biāo)來驗算構(gòu)件。(三)在構(gòu)件上施加升溫荷載。這樣做與方法(一)類似，對于較弱或較低的構(gòu)件，與方法(一)計算差別不大，但是對于上部約束偏弱的構(gòu)件，常出現(xiàn)將上部構(gòu)件向上頂?shù)哪B(tài)，故實際操作中不如方法(一)。以下以目前采集的部分項目的計算長度系數(shù)計算方法進行分析。(1)上海中心同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院表1巨型柱計算長度系數(shù)計算表參閱圖1以及上表1，該項目將巨型柱10的每一分區(qū)單獨提取出來計算，柱下端剛接，腰桁架上下層剛性樓板，不考慮核心筒的作用。這樣做的結(jié)果是大部分柱的計算長度系數(shù)都低于了0.5(兩端剛接)，這在嚴格的歐拉公式使用中是不可能出現(xiàn)的情況，但柱間插有剛性板，這個結(jié)果便可以理解了。(2)卡塔爾外交部大廈深圳大學(xué)設(shè)計院表2交叉柱計算長度系數(shù)計算表參閱圖2以及上表2，該項目是交叉柱20的形式，采用的是兩端荷載法，并向高階處尋找構(gòu)件的屈曲模態(tài)，最后偏于安全的將柱兩個方向的計算長度系數(shù)取為2.0和3.0，大約是1.5～2的安全系數(shù)。(3)卓越皇崗世紀中心深圳華森、中建國際表3獨立構(gòu)件分析法結(jié)果表4整體模型法分析結(jié)果表5整體模型法分析結(jié)果參閱圖3以及上表3、4、5，該項目采用了三種方法：獨立模型、整體模型和實體有限元。獨立模型是將柱單獨拎出來計算，約束剛度不詳；整體模型就是兩端荷載法，計算長度系數(shù)按照本文的表達方法是在0.6～1之間；實體有限元建立出了巨柱和一些相連的梁，推測是使用abaqus的riks屈曲分析，未考慮材料非線性。(4)平安金融中心中建國際表6巨型柱計算長度系數(shù)計算表參閱圖4以及上表6，該項目簡化模型可能帶上了勁性鋼筋混凝土內(nèi)筒，加載方式不詳，很可能是兩端荷載法，從計算結(jié)果看很可能使用了剛性樓板。從這些案例中可以看到，雖然都是采用歐拉公式，但是模型的簡化方式、加載方式不同，結(jié)果也有很大不同，具體哪種做法更為合適，業(yè)內(nèi)目前未有定論，這對于設(shè)計的安全性和成本都會產(chǎn)生較大影響。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法，采用歐拉公式，能夠準確得到穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法，其包括如下步驟：s100，去除所計算的穿層巨型構(gòu)件上的腰桁架之間所有樓面梁和樓板，保留加強層的全部樓面梁和樓板，且保留核心筒；s200，對所計算的穿層巨型構(gòu)件進行分段，保證所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一段的中間都沒有任何其他約束；s300，在所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一計算段上施加荷載，進行彈性靜力計算，并提取出該穿層巨型構(gòu)件的每一計算段的軸力n；s400，在該荷載下進行屈曲工況計算，找出合理的屈曲模態(tài)及屈曲因子η，由此得到屈曲荷載ncr＝nη，隨后使用歐拉公式得到所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一計算段的計算長度系數(shù)。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s200中還包括如下步驟：s210，取穿層巨型構(gòu)件上的下層腰桁架頂部和相鄰的上層腰桁架底部之間的部分為一計算段，以對穿層巨型構(gòu)件上的每一腰桁架區(qū)段分別進行計算。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s200中還包括如下步驟：s220，如果穿層巨型構(gòu)件具有斜撐，且斜撐有交叉，則取斜撐的交點之間的部分為一計算段，以保證所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一計算段的中間都沒有任何約束。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s400中還包括如下步驟：s410，觀察低階模態(tài)的計算結(jié)果，如果能夠在低階模態(tài)出現(xiàn)所計算的穿層巨型構(gòu)件的所計算段的屈曲，那么便可直接提取計算長度系數(shù)。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，如果低階模態(tài)被其他構(gòu)件占據(jù)，所述步驟s400中還包括如下步驟：s420，若在低階模態(tài)下的所計算段的屈曲出現(xiàn)在未刪除的樓板處，則加大樓板的面外剛度，直至將樓板屈曲從低階模態(tài)中消除。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s400中還包括如下步驟：s430，若在低階模態(tài)下的所計算段的屈曲出現(xiàn)在其他相鄰的較弱構(gòu)件，則可在所計算的穿層巨型構(gòu)件的兩端施加剛性樓板或刪除較弱構(gòu)件，目的是將這些較弱構(gòu)件的屈曲從低階模態(tài)中消除。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s410中還包括如下步驟：低階模態(tài)為不超過10階的模態(tài)。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s300中還包括如下步驟：在所計算的穿層巨型構(gòu)件的計算段上施加荷載是采用升溫法。上述的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的一實施方式中，所述步驟s300中還包括如下步驟：在所計算的穿層巨型構(gòu)件上施加荷載是在所計算段的兩端施加的一對單位反力載荷的兩端荷載法。本發(fā)明的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法與其他已有的計算方法相比，該算法具有以下特點和優(yōu)勢：(1)明確了計算構(gòu)件除兩端外不得有約束，保證了概念的正確性；(2)基于整體模型而非簡化模型，能夠全面考慮結(jié)構(gòu)整體對于構(gòu)件兩端約束的影響；(3)明確提出了弱構(gòu)件吸附低階模態(tài)時的處理辦法；(4)編寫了計算機程序，能夠為工程人員節(jié)省大量時間。如此計算得到的計算長度系數(shù)概念正確，具有一定的安全儲備，無論是在概念上還是操作上在業(yè)內(nèi)都具有先進性，尤其適合于模型較大的情況。以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。附圖說明圖1為現(xiàn)有技術(shù)實施例一的巨型柱的框架模型及屈曲模態(tài)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)實施例二的交叉柱的框架模型及屈曲模態(tài)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)實施例三的巨型柱的框架模型及屈曲模態(tài)示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)實施例四的巨型柱的框架模型及屈曲模態(tài)示意圖；圖5為本發(fā)明的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的計算流程圖(一)；圖6為本發(fā)明的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的計算流程圖(二)；圖7為本發(fā)明的穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法的計算流程圖(三)。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細的描述，以更進一步了解本發(fā)明的目的、方案及功效，但并非作為本發(fā)明所附權(quán)利要求保護范圍的限制。目前存在的各種問題，很大程度上是由于對于歐拉公式的定義和適用范圍理解模糊造成的，因此有必要對歐拉公式再次進行深入的推導(dǎo)和理解。選取一根長度為l，抗彎剛度為ei的桿，假定在桿件原點處受到的約束力為軸力ncr(0)，剪力q(0)以及彎矩m(0)，對于桿件長度為x的部位，都有ncr(x)＝ncr(0)，q(x)＝q(0)，m(x)＝m(0)，即：桿件內(nèi)力沿長度方向為定值，桿件除兩端外不能有額外約束。這是歐拉公式的前提條件。對坐標(biāo)為(x,y)處的截面型心建立平衡方程∑m＝0，得：-m(0)-q(0)x-ncr(0)y+m＝0(1)即：m＝m(0)+q(0)x+ncr(0)y(2)從而得到撓曲線的近似微分方程：令帶入上式并化簡得：上式即為細長壓桿微彎后彈性曲線的微分方程，其通解為：下面推導(dǎo)不同支撐條件下的壓桿穩(wěn)定承載力。(1)兩端鉸接兩端鉸接的壓桿邊界條件為：x＝0，y＝0x＝l，y＝0m(0)＝0，q(0)＝0帶入(5)式解得：asinkl＝0則kl＝π那么即計算長度系數(shù)μ＝1。(2)一端固定一端鉸接一端固定一端鉸接的壓桿邊界條件為：x＝0，y＝0x＝0，y’＝0x＝l，y＝0m(0)＝-q(0)l帶入(5)式解得：tankl＝kl則即計算長度系數(shù)μ＝0.7。其余支撐情況可同上推導(dǎo)出其計算長度系數(shù)。由以上推導(dǎo)，我們可以看出使用歐拉公式時：(1)軸力、剪力、彎矩必須沿桿件長度恒定，否則(5)式無效。在計算模型中，若要得到準確的結(jié)果，那么計算的構(gòu)件除兩端節(jié)點外，不宜有其他約束。(2)使用歐拉公式獲得的細長壓桿計算長度系數(shù)僅與邊界條件有關(guān)，與端點處的施加的軸力、剪力、彎矩?zé)o關(guān)。本質(zhì)上說，計算長度即為式(5)中三角函數(shù)的半波長，也就是我們通常理解的反彎點間的距離。(3)嚴格來說，細長壓桿計算長度系數(shù)的最小值為0.5(兩端固結(jié))，如果出現(xiàn)小于0.5的情況，則是因為構(gòu)件中部出現(xiàn)了約束。(4)實際中使用歐拉公式通常是應(yīng)對穿層柱，柱中部的約束越弱，歐拉公式計算越準確。而對于梁柱線剛度相差不大的情況(例如b17核心筒的柱)，就不宜穿層計算，此時建議使用規(guī)范。嚴格來說，計算計算長度系數(shù)時，構(gòu)件的撓曲線應(yīng)符合(5)式，否則，使用歐拉公式計算出的結(jié)果都是概念錯誤的。結(jié)構(gòu)的簡化是另一項重要問題。由于次要構(gòu)件對于低階屈服模態(tài)的吸附作用，以目前掌握的資料來看，所有設(shè)計單位都忽略了次要構(gòu)件。對于樓板，目前有忽略樓板、彈性樓板和剛性樓板三種思路，主流的做法是忽略樓板，有時在柱頂處布剛性樓板。核心筒通過樓面梁和伸臂桁架與外框進行連接，樓面梁忽略后，僅有伸臂桁架與核心筒連接。但是，毫無疑問，保留核心筒是更加精確的方式?；趯W拉公式的準確理解，考慮到實際操作中的次要構(gòu)件對低階屈服模態(tài)的吸附的具體情況，本發(fā)明提出了一種穿層巨型構(gòu)件計算長度系數(shù)的計算方法，結(jié)合圖5，包括如下步驟：s100，去除所計算的穿層巨型構(gòu)件上的腰桁架之間所有樓面梁和樓板，保留加強層的全部樓面梁和樓板，且保留核心筒；s200，對所計算的穿層巨型構(gòu)件進行分段，保證所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一段的中間都沒有任何其他約束。其中，如圖5所示，步驟s200還包括如下步驟：s210，取穿層巨型構(gòu)件上的下層腰桁架頂部和相鄰的上層腰桁架底部之間的部分為一計算段，以對穿層巨型構(gòu)件上的每一腰桁架區(qū)段分別進行計算。以及s220，如果穿層巨型構(gòu)件具有斜撐，且斜撐有交叉，則取斜撐的交點之間的部分為一段，以保證所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一計算段的中間都沒有任何約束。s300，在所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一計算段上施加荷載，進行彈性靜力計算，并提取出該穿層巨型構(gòu)件的每一計算段的軸力n。其中，施加載荷可以是在所計算的穿層巨型構(gòu)件的計算段上施加荷載是升溫法，也可以是在所計算的穿層巨型構(gòu)件上施加荷載是在所計算段的兩端施加的一對單位反力載荷的兩段荷載法。s400，在該荷載下進行屈曲工況計算，找出合理的屈曲模態(tài)及屈曲因子η，由此得到屈曲荷載ncr＝nη，隨后使用歐拉公式得到所計算的穿層巨型構(gòu)件的每一計算段的計算長度系數(shù)。該發(fā)明的理論基礎(chǔ)為歐拉屈曲公式：其中e為彈性模量，i為截面慣性矩，l為構(gòu)件幾何長度，μ為計算長度系數(shù)，ncr為屈曲荷載。其中，參閱圖7，步驟s400中的屈曲工況計算部分還包括如下步驟：s410，觀察低階模態(tài)的計算結(jié)果，如果能夠在低階模態(tài)(不超過10階)出現(xiàn)所計算的穿層巨型構(gòu)件的所計算段的屈曲，那么便可直接提取計算長度系數(shù)。s420，若在低階模態(tài)下的所計算段的屈曲出現(xiàn)在未刪除的樓板處，則通過修改輸入?yún)?shù)，加大樓板的面外剛度，直至將樓板屈曲從低階模態(tài)中消除。s430，若在低階模態(tài)下的所計算段的屈曲出現(xiàn)在其他相鄰的較弱構(gòu)件，則可通過修改輸入?yún)?shù)，在所計算的穿層巨型構(gòu)件的兩端施加剛性樓板或刪除較弱構(gòu)件，目的是將這些較弱構(gòu)件的屈曲從低階模態(tài)中消除。本實施例中，本計算方法使用c#語言，基于通用有限元計算軟件sap2000將這一套流程編寫為了標(biāo)準程序“計算長度系數(shù)計算程序”，使繁瑣的計算、數(shù)據(jù)提取過程大大簡化，操作快捷準確，成為標(biāo)準化的成套技術(shù)。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。當(dāng)前第1頁12