楊維英
福州市建筑設計院
正文:
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,建筑結(jié)構(gòu)的形式日趨新穎,基于抗震性能設計必然是發(fā)展趨勢[1-4]?;谛阅艿慕Y(jié)構(gòu)抗震設計能針對不同的抗震設防要求采取不同的抗震措施。鋼——混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu),它揚長避短,能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性,鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)用鋼量少、剛度大、施工周期短、穩(wěn)定性和整體性表現(xiàn)更強、抗火性和耐久性得到提高等。因此通過組合概念則可以鋼材和混凝土的材料特性發(fā)揮到極致,形成一系列新穎、高效的結(jié)構(gòu)體系。其在土木工程中得到廣泛運用,例如我國的北京四川大廈、江西銅礦貯礦倉、四川旺蒼東河大橋和美國的西雅圖雙聯(lián)廣場大廈等建筑,都全部或部分采用了組合結(jié)構(gòu)。
本文主要對帶型鋼轉(zhuǎn)換的框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析,了解該結(jié)構(gòu)的抗震性能,可以對該結(jié)構(gòu)體系在多遇地震下彈性設計進行校核,又能確定該結(jié)構(gòu)體系在罕遇地震作用下的破壞機制,找出其相應的薄弱環(huán)節(jié),從而對薄弱環(huán)節(jié)進行加強,使整個結(jié)構(gòu)達到預期的效果;同時也可為以后的設計和進一步研究作參考。
本工程為某高層辦公寫字樓,結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年,抗震設防烈度為6度,丙類,設計地震分組為第一組,地震基本加速度為0.05g,建筑場地類別為Ⅱ類,基本風壓為0.45kN/m2,地面粗糙度類別為C類。采用鋼筋混凝土框架——核心筒結(jié)構(gòu)體系,外框架平面尺寸為38.3m×23.3m,中央核心筒平面尺寸8.0m×8.0m,除去屋頂?shù)膬蓪訖C房地上共22層,建筑高度為86m。為了滿足建筑使用功能,在第三層設置轉(zhuǎn)換層,第一層、第二層和轉(zhuǎn)換層層高為5m,如圖2所示。本工程型鋼混凝土中的型鋼采用較常用的實腹式寬翼緣的H形軋制型鋼,其構(gòu)造圖如圖1所示。
圖1 H形型鋼混凝土托柱梁的構(gòu)造
圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖
本工程轉(zhuǎn)換梁的截面高度為2000×500mm,當采用普通梁式轉(zhuǎn)換時,轉(zhuǎn)換層上、下層剛度突變而形成薄弱層。根據(jù)文獻[4]選擇合適的帶型鋼的實腹梁截面尺寸,如表1和表2所示。
表1 轉(zhuǎn)換梁截面尺寸
表2 轉(zhuǎn)換梁的含鋼率、配筋率、體積配箍率
采用前文得到合理剛度比應用于此實際工程,整體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。Midas模型是根據(jù)PKPM結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換過來的,其結(jié)構(gòu)平面布置、各構(gòu)件截面、荷載及相關參數(shù)的設定同PKPM結(jié)構(gòu)模型。為確保計算模型的正確性,對兩個模型的靜力計算做了簡單的誤差對比分析見表3。
從表3可知,質(zhì)量誤差不超過2%,在工程誤差允許的5%范圍之內(nèi),說明PKPM模型轉(zhuǎn)Midas模型荷載較為準確。Midas-Building中提供了兩種POA分析方法,一種是基于荷載增量的荷載控制法,另一種是基于目標位移的位移控制法。本文進行靜力彈塑性Push-over分析采用的是位移控制法,即基于性能的抗震設計,一般先通過靜力分析確定發(fā)生最大位移的節(jié)點及該位移發(fā)生的方向,給定該節(jié)點設計控制位移的方法。該結(jié)構(gòu)在X、Y向發(fā)生最大位移的節(jié)點都是在頂層角點位置,如圖3所示位置,這兩點分別控制結(jié)構(gòu)X、Y方向的最大位移,控制位移設定為0.86m(即結(jié)構(gòu)高度的1/100),然后逐漸增加荷載直到達到控制位移,以此來分析評估結(jié)構(gòu)的綜合性能。
圖3 Madis模型
通過Midas軟件對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析,其中X向的剛度大于Y向的剛度,圖4為結(jié)構(gòu)在X、Y方向的能力譜——需求譜曲線關系。圖中曲線依次表示結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下阻尼比為5%、10%、15%、20%時的需求譜曲線,當結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到屈服時,結(jié)構(gòu)的阻尼不斷增大,同時結(jié)構(gòu)的剛度也會變化并影響下一步計算環(huán)節(jié),依次循環(huán)而達到預定目標位移,從而驗證結(jié)構(gòu)是否滿足抗震要求[5]。圖4中藍線與綠線的交點表示結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能控制點。
圖4 能力譜-需求譜曲線
從圖4中可以看出,結(jié)構(gòu)在兩個方向都有交點,驗證了結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的性能目標。該曲線比較光滑、變化比較均勻,隨著位移的慢慢增大,結(jié)構(gòu)的剛度連續(xù)退化、屈服、破壞,最后曲線出現(xiàn)了下降段。表4給出了結(jié)構(gòu)在兩個方向的性能控制點參數(shù)。
表4 性能控制點主要參數(shù)
從圖5和6中可以看出,結(jié)構(gòu)兩個方向最大層間位移角分別為1/239(出現(xiàn)在第14層)和1/420(出現(xiàn)在第4層),滿足規(guī)范要求;最大層間位移分別為0.01592m和0.00904m,分別出現(xiàn)在第14和4層,分別為建筑結(jié)構(gòu)高度的1/5402和1/9513,位移與結(jié)構(gòu)總高度的比值遠小于2%,滿足抗震性能要求。
圖5 靜力彈塑性層間位移角曲線
圖6 靜力彈塑性層間位移曲線
圖7靜力彈塑性層剪力移曲線
圖8 給出了結(jié)構(gòu)基底剪力與控制點位移的關系曲線,可以得到, X向,控制點位移=200.7mm時,結(jié)構(gòu)開始屈服,基底剪力N=45447kN,位移Δ=573.3mm時,曲線出現(xiàn)下降段,結(jié)構(gòu)開始破壞,基底剪力N=87888kN; Y向,控制點位移=114.7mm時,結(jié)構(gòu)開始屈服,基底剪力N=51110kN,位移Δ=573.3mm時,曲線出現(xiàn)下降段,結(jié)構(gòu)開始破壞,基底剪力N=81212kN。X、Y向的強屈比分別是1.934、1.589,說明帶型鋼轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)擁有較高的強度儲備。
圖8 帶型鋼轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)基底剪力-頂層控制點位移關系曲線
圖9 -10分別給出了整體結(jié)構(gòu)的最終出鉸圖。其彈塑性發(fā)展過程為:核心筒部位的連梁兩端和轉(zhuǎn)換梁兩端首先出現(xiàn)塑性鉸,隨著水平推力的逐步增大,框支柱也出現(xiàn)了塑性鉸,框架梁和轉(zhuǎn)換梁兩端也不斷有塑性鉸出現(xiàn),參與結(jié)構(gòu)耗能。
圖9 X向工況整體結(jié)構(gòu)最終出鉸圖
圖10 Y向工況整體結(jié)構(gòu)最終出鉸圖
本章主要是通過對實際工程進行了采用帶型鋼轉(zhuǎn)換高層進行靜力彈塑性分析,了解其在罕遇地震作用下的抗震性能。用Madis Gen對帶轉(zhuǎn)換層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析,簡單介紹了計算模型的建立過程;通過數(shù)據(jù)分析,從結(jié)構(gòu)大震作用下性能控制點的確定、層間位移角、層剪力、各構(gòu)件塑性鉸的發(fā)展情況等方面評估了其抗震性能。分析結(jié)果顯示,整體結(jié)構(gòu)首先在剪力墻連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸,隨著水平推力的繼續(xù)增大,框架梁也開始屈服,參與結(jié)構(gòu)耗能,帶型鋼轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)能夠很好的抵抗大震,框架能夠很好的作為第二道抗震防線。