多層框架連廊結(jié)構(gòu)柔性連接設(shè)計及計算分析

周 露，黃襄云，沈朝勇，馬玉宏

(廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510405）

0 引言

隨著建筑的發(fā)展需要，現(xiàn)代建筑的功能要求越來越復(fù)雜，出現(xiàn)了各種綜合連體建筑。為了滿足各部分主體結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系和使用要求，常在主體部分和附屬部分之間設(shè)置連廊，形成帶連廊的結(jié)構(gòu)形式。帶連廊的建筑結(jié)構(gòu)是目前建筑中常用的一種建筑結(jié)構(gòu)形式。在連廊與主體間的連接方式主要采用以下幾種處理方式：剛性連接、鉸接連接、滑動連接、柔性連接[1]?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)中規(guī)定：連接體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)宜采用剛性連接[2]。為此，在連接方式選擇上以連廊與主體結(jié)構(gòu)剛性連接的偏多。剛性連接使各相連主體結(jié)構(gòu)之間相互影響而出現(xiàn)耦連現(xiàn)象，也使連接部位的應(yīng)力變得非常復(fù)雜。歷次的地震震害也表明，連廊結(jié)構(gòu)在中、強地震作用下極易與主體結(jié)構(gòu)脫離，發(fā)生整體塌落現(xiàn)象。這使連廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為一個難題。目前，我國 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）對設(shè)連廊的復(fù)雜體型建筑的設(shè)計還缺乏充分的技術(shù)指引[3]。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對連廊結(jié)構(gòu)進行了研究，包括對多塔樓高層建筑連廊結(jié)構(gòu)的連接方式進行理論分析和振動臺試驗研究[4]；探討連接體位置發(fā)生變化對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響等[5]。

本文采用了一種介于剛接與滑動連接之間的連接方式——橡膠隔震支座的柔性連接[6]，結(jié)合實際工程，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性連接做法。探討了柔性連接對結(jié)構(gòu)動力特性的改善和提高建筑的抗震性能的有效性；采用SAP2000 Nonlinear結(jié)構(gòu)分析程序，對框架連廊結(jié)構(gòu)進行計算分析，通過對連廊采用柔性連接和剛性固結(jié)進行對比分析，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行了評價，可為帶連廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 工程概況

該工程為多層框架連廊結(jié)構(gòu)，包括2棟5層的普通鋼筋混凝土廠房主體結(jié)構(gòu)和位于中間的1棟5層的普通鋼筋混凝土附屬樓，平面布置如下圖1所示。廠房主體地面以上高度為24.6 m，附屬樓地面上高度為23.6 m，地下高度均為1.4 m。但是附屬樓與廠房主體每層都存在一定的高差，形成了錯層。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，兩棟廠房主體與附屬樓兩端之間均沿豎向設(shè)有3座獨立的鋼結(jié)構(gòu)連廊，形成對稱的連廊結(jié)構(gòu)。3座連廊的標(biāo)高分別為6.2 m、14.1 m和18.6 m，連廊兩端標(biāo)高一致，連廊跨度為17.0 m，寬度為25.2 m。結(jié)構(gòu)的立面示意圖如下圖2所示。

2 柔性支座節(jié)點設(shè)計

圖1 結(jié)構(gòu)的平面布置圖Fig.1 Plane layout of the structure

圖2 連廊結(jié)構(gòu)的立面圖Fig.2 Elevation view of corridor structure

該工程的柔性連接采用鉛芯疊層橡膠支座，設(shè)置在連廊與主體結(jié)構(gòu)的連接處，每個連廊與主體間均通過8個橡膠柔性支座連接。柔性支座選取LRB500-G4-Tr100-C90型號，其力學(xué)性能參見下表1。

柔性支座的連接構(gòu)造如下：柔性支座上端與連廊的縱向主梁相連，支座下端板與主體結(jié)構(gòu)柱伸出的牛腿相連；柔性支座與連廊及主體結(jié)構(gòu)均采用高強螺栓連接。柔性支座在大震作用下在平面內(nèi)應(yīng)能自由變形為避免連廊與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，在支座四周均預(yù)留有300 mm的空隙，與豎直固定物間的脫開距離不得小于15 mm。為了防止柔性支座在罕遇地震作用下發(fā)生過大的變形，柔性支座四角處各設(shè)置一個阻尼限位條，以防止柔性支座產(chǎn)生過大位移而使連廊產(chǎn)生塌落。柔性連接節(jié)點大樣如圖3所示。

表1 柔性支座力學(xué)性能參數(shù) (LRB500-G4)Table 1 Mechanical property parameters of flexible support(LRB500-G4)

圖3 連廊柔性支座節(jié)點大樣詳圖Fig.3 Structural drawing of flexible bearing

3 柔性支座在風(fēng)荷載作用下的計算

考慮到連廊在順橋向所受的風(fēng)荷載較小，本文只進行了連廊側(cè)迎風(fēng)面風(fēng)荷載的計算，由于對稱，兩端的連廊受力相同，表2為1#與2#樓之間左端連廊風(fēng)荷載迎風(fēng)面 （X向）計算結(jié)果，其他各處連廊計算結(jié)果與此相同。表中Fk為單個連廊總的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，ΣKeq（50%）為連廊柔性支座變形為50%的總等效剛度，δ為風(fēng)荷載作用下柔性支座水平剪切變形。

表2 1#與2#樓之間連廊風(fēng)荷載迎風(fēng)面 （X向）計算結(jié)果Table 2 Calculation results of wind load windward side (X direction)between 1#and 2#

4 柔性支座在溫度作用下的計算

為簡化計算，將連廊簡化為一軸向桿件，計算其在溫度荷載作用下的軸向變形，溫度變化按±20℃變化進行水平變形計算。

1#樓與 2#樓之間連廊 （LA1、 LA2、 LA3）：

每個柔性支座順橋向的水平變形為4.08/2=2.04 mm。由于連廊對稱，各端在相同標(biāo)高位置處的連廊柔性支座在溫度作用下的軸向變形相同。

5 結(jié)構(gòu)計算分析

該多層框架連廊建筑屬丙類建筑，位于設(shè)防烈度為7度的地震區(qū)，場地類別為Ⅱ類，主體框架抗震等級為二級。用SAP2000 Nonlinear程序進行了結(jié)構(gòu)三維空間有限元時程分析。采用空間桿件模型，結(jié)構(gòu)中柔性支座的非線性屬性采用隔震支座 （Isolator1）單元來模擬。輸入了El Centro-EW、El Centro-NS、North Tar-360、Taft-EW、Taft-NS波共5條實際地震記錄的天然波，還輸入了與實際場地相符合的3條人工合成加速度時程的場地波，分別為WAVE1、WAVE2、WAVE3波。結(jié)構(gòu)計算模型如下圖4所示。

5.1 結(jié)構(gòu)自振周期與振型參與系數(shù)

連廊和主體結(jié)構(gòu)分別采用柔性支座連接和固接時，結(jié)構(gòu)前12階周期和振型參與系數(shù)見表3。

圖4 結(jié)構(gòu)三維有限元計算模型Fig.4 Three-dimensional finite element calculation model of structure

表3 連廊柔性連接和固接時結(jié)構(gòu)的周期和振型參與系數(shù)Table 3 Periods and model participation factors of structure as corridor with flexible or fixed connection

從SAP2000分析后顯示的各階振型得知：結(jié)構(gòu)的振動以各個單體的第一振型為主，其中前3階振型為中間單體的振動，4～6階振型為兩邊對稱主體的振動；且兩端柔性連接的第一周期比固結(jié)連接方式大10.09%。結(jié)合周期計算公式可說明：固結(jié)連接方式的結(jié)構(gòu)整體剛度比柔性連接方式的要大，兩端柔性連接的結(jié)構(gòu)整體剛度相對要小些。連廊和主體結(jié)構(gòu)采用柔性連接時的周期比采用固接時稍有增加。

5.2 加速度反應(yīng)分析

小震激勵下，連廊和主體之間分別采用柔性連接和固接時，在8條地震波作用下主樓結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)平均值見圖5。當(dāng)對結(jié)構(gòu)輸入罕遇大震激勵時，分別采用柔性連接和固接時的主樓結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)對比見圖6。

圖5 小震作用下固接和柔性連接主樓結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)對比圖Fig.5 Comparison of accelerations of structure with fixed or flexible connection under small earthquake

圖6 大震作用下固結(jié)和柔性連接主樓結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)對比圖Fig.6 Comparison of accelerations of structure with fixed or flexible connection under strong earthquake

通過固結(jié)和柔性連接主體結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)平均值圖比較可知：連廊采用柔性連接時樓層的加速度反應(yīng)比采用固接時的小，說明采用柔性連接大多數(shù)樓層的加速度值是減小的。

5.3 位移反應(yīng)分析

小震作用下，連廊和主體之間分別采用柔性連接和固接時，在8條地震波作用下主樓結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)平均值見圖7；當(dāng)對結(jié)構(gòu)輸入罕遇大震激勵時，分別采用柔性連接和固接時的主樓結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)對比如圖8所示。

圖7 小震作用下固接和柔性連接時主樓結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對比圖Fig.7 Comparison of displacements of structure with fixed or flexible connection under small earthquake

圖8 大震下固接和柔性連接時主樓結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對比圖Fig.8 Comparison of displacements of structure with fixed or flexible connection under strong earthquake

通過固結(jié)和柔性連接主體結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對比可知：柔性連接的層間位移反應(yīng)比剛性固結(jié)的要??；采用柔性連接后，層間位移有一定幅度的減小。不同連接方式的層間位移反應(yīng)平均值的圖形形狀大體一致，連廊位置處的層間位移較大，說明由于連廊的存在，使結(jié)構(gòu)沿豎向剛度有突變，但是采用柔性連接，這種趨勢得到改善，能有效的削減由于剛度突變而造成的薄弱部位存在現(xiàn)象。

5.4 柔性支座的大震反應(yīng)

采用時程分析法，對帶連廊的整體結(jié)構(gòu)進行了7度大震計算，表4及表5為8種地震波在X向、Y向輸入下柔性支座的水平剪切變形反應(yīng)。

表4 各柔性支座在大震X向地震波輸入下X向位移反應(yīng)值Table 4 Displacement of flexible bearings with seismic wave input in X direction

表5 各柔性支座在大震Y向地震波輸入下Y向位移反應(yīng)值Table 5 Displacement of flexible bearings with seismic wave input in Y direction

從表中計算的各柔性支座在大震下的位移反應(yīng)值均沒有超過柔性支座的水平極限變形限值275 mm，這表明，橡膠柔性支座的允許最大水平位移仍大于罕遇地震變形需求的位移，柔性支座有足夠的安全裕量。

5.5 結(jié)構(gòu)基底剪力分析

在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大基底剪力見下表6。

表6 小震時結(jié)構(gòu)最大基底剪力Table 6 Maximum base shear under small earthquake

從表可以看出，由于采用柔性連接,結(jié)構(gòu)的約束產(chǎn)生了改變，在小震作用下結(jié)構(gòu)的最大基底剪力，柔性連接時的最大基底剪力明顯比固結(jié)連接時的小。由表可見，采用柔性連接后最大基底剪力平均減小了28.54%。

5.6 柔性支座的滯回性能和結(jié)構(gòu)耗能性能分析

從歷年的震害分析中工程師越來越意識到：強度和位移不能完全反映地震對結(jié)構(gòu)的影響。1926年Housner提出了能量法概念，用地震能量在結(jié)構(gòu)中的傳遞、吸收與轉(zhuǎn)化情況來反映結(jié)構(gòu)破壞的情況[7]。從能量角度而言,減小地震破壞的基本原則主要是以適當(dāng)?shù)姆绞綔p小或消耗地震輸入的能量[8]。

在結(jié)構(gòu)中采用柔性連接來耗能,如橡膠墊、阻尼器等,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，耗能構(gòu)件或消能裝置率先進入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼[9]，利用這些耗能元件的阻尼及滯回耗能來減小地震能量。計算時要考慮橡膠墊的非線性性能。圖7為小震作用下柔性連接時隔震支座的剪力-變形滯回曲線圖。從圖中可以看出,隔震支座的滯回能大于零，且滯回環(huán)比較飽滿，在地震時耗能元件表現(xiàn)了良好的耗能性能。這表明柔性連接是對抗震是有利的。

圖7 小震作用下地震總輸入能量和滯回特性Fig.7 Earthquake total input energy and hysteresis behavior under minor earthquake

6 結(jié)論

采用SAP2000 Nonlinear結(jié)構(gòu)分析程序，對該多層框架連廊結(jié)構(gòu)進行三維有限元計算分析，通過對連廊采用柔性連接和剛性固結(jié)進行對比分析，可得到如下結(jié)論：

（1）在風(fēng)荷載和溫度荷載作用下，支座水平剪切變形較小，支座未進入屈服狀態(tài)，處于彈性階段。

（2）連廊采用柔性連接時，連體結(jié)構(gòu)自振周期延長，樓層加速度和層間位移減小，基底剪力明顯減小，結(jié)構(gòu)在連廊連接處的受力狀況得到改善。

（3）柔性連接構(gòu)件具有一定的耗能性能，能起到耗散地震能量的作用，提高了連體結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。

（4）采用柔性連接來處理連廊與主體之間的連接，能改善連體結(jié)構(gòu)的動力特性和動力響應(yīng)，提高連體建筑的抗震性能。

因此，建議在帶連廊的連體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，宜優(yōu)先考慮選用柔性支座連接方式。

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