以實(shí)例分析綠色鋼結(jié)構(gòu)抗震性

石若利,李其倫,劉 濤,史少華

(1.云南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院,云南 昆明 650500;2.四川文理學(xué)院 建筑工程學(xué)院,四川 達(dá)州 635000)

在土建領(lǐng)域中,大部分的施工過程都會(huì)有大量冗余的建筑廢料以及有害物質(zhì)排出[1],而綠色建筑就是在滿足建筑最主要的承載力要求與安全耐久性的基礎(chǔ)之上,要求使用的建筑材料和施工方法盡可能的環(huán)保、低污染[2-6].其中,以全鋼結(jié)構(gòu)建造的建筑能夠?qū)⒕G色建筑的節(jié)能、低碳、節(jié)約材料、耗水量低等理念有效地結(jié)合并在建筑上體現(xiàn).建筑結(jié)構(gòu)的抗震性得到學(xué)者廣泛關(guān)注,方鄂華等[7]針對(duì)高層建筑的抗震問題做了相關(guān)的研究;歐近平等[8]對(duì)結(jié)構(gòu)建筑的能量耗散減震技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn);劉其祥等[9]在2010年對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中的梁柱的連接設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,并指出了現(xiàn)有技術(shù)的矛盾與不足;Sendanayake等[10]在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的連接方法上給出了隔震鏈接方案;Simoncelli等[11]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)的研究取得了新的進(jìn)展,Radkia等[12]則是對(duì)非對(duì)稱鋼結(jié)構(gòu)建筑的隔震抗震功能提出了新思路,Katsimpini等[13-14]利用翹板系統(tǒng)對(duì)低層鋼結(jié)構(gòu)建筑和高層鋼結(jié)構(gòu)的屈曲約束支撐建立模型研究其抗震性能.本文以實(shí)際工程案例中的一座35層鋼結(jié)構(gòu)建筑為研究對(duì)象,利用時(shí)程分析法研究抗震性;基于pushover分析法得到T形、L形鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的基底位移剪力曲線,分析其抗震性是否滿足要求.研究鋼結(jié)構(gòu)綠色建筑的抗震性.

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性分析

1.1 時(shí)程分析法研究抗震性

通過時(shí)程分析法繪制結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線,研究其抗震性.鋼結(jié)構(gòu)建筑所在場(chǎng)地的基本烈度為Ⅵ度,取其地震最大加速度為49.03 cm·s-2;分別輸入Taft波、EI-Centro波和人工波模擬該地實(shí)際地震波,同時(shí)求取其地震波單項(xiàng)輸入;選定的地震波含有1 579個(gè)數(shù)據(jù),運(yùn)算耗時(shí)72 h,利用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.

1.2 pushover分析法測(cè)試抗震性

基于pushover分析法研究地震時(shí)建筑中T形、L形鋼管混凝土柱與混凝土組合建筑的內(nèi)力與位移情況,以評(píng)估其抗震性.pushover分析法是靜力彈塑性分析法,其與反應(yīng)譜相結(jié)合,能展現(xiàn)地震條件下建筑結(jié)構(gòu)的變換過程,其基本步驟如下.

1)基于pushover分析法得到所選結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線,即表示結(jié)構(gòu)側(cè)向總剪力與頂點(diǎn)側(cè)向位移關(guān)系的pushover曲線.

2)建立能力譜曲線,將步驟1)得到的pushover曲線轉(zhuǎn)換為譜加速度sa和譜位移sd的關(guān)系曲線,其轉(zhuǎn)換公式為

3)建立彈塑性需求譜曲線,采用試算和逼近的方法確保獲得的性能點(diǎn)誤差盡可能小,并將其對(duì)應(yīng)的譜位移轉(zhuǎn)化成選定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移,用得到的頂點(diǎn)最大位移和層間角位移分析其抗震性.

在用pushover分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析時(shí),為分析地震時(shí)結(jié)構(gòu)的各變形情況,選定均布加載和倒三角加載2種水平側(cè)力加載模式和X、Y兩個(gè)方向,組合為結(jié)構(gòu)重力+X方向加速度、結(jié)構(gòu)重力+Y方向加速度、結(jié)構(gòu)重力+1階振型、結(jié)構(gòu)重力+2階振型4種加載模式.其中,模態(tài)1和模態(tài)2分別指1階振型(X方向)和2階振型(Y方向).

2 工程實(shí)例

2.1 工程總體概況及模型假設(shè)

取實(shí)際工程案例中的一座35層的鋼結(jié)構(gòu)建筑為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行抗震穩(wěn)定性的檢測(cè)與調(diào)查.取鋼結(jié)構(gòu)建筑的首層樓高為5 m,其他樓層層高為3 m.該鋼結(jié)構(gòu)建筑首層采用的是箱型基礎(chǔ),相較于一般的實(shí)體單元,箱型基礎(chǔ)剛度較大,穩(wěn)定性較好,能有效降低基礎(chǔ)沉降量.另一方面,箱型基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)能較好地嵌固于地基,能降低結(jié)構(gòu)重心,增加結(jié)構(gòu)整體性,故其抗震性較好.

其上的樓層則用T形、L形鋼管混凝土柱構(gòu)建其外框,樓板則用壓型鋼板構(gòu)建.

1)綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑相關(guān)參數(shù).綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表1所示,其中,鋼材選用Q345B,墻體混凝土選用C40.

表1 綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)Table 1 Key component parameters of green steel structure building mm

2)模型基本假設(shè).在計(jì)算結(jié)構(gòu)抗震變量和參數(shù)時(shí),有以下假定:①將選取的理想狀態(tài)下模型參數(shù)作為設(shè)計(jì)體系模型;②地下部分抵抗變形能力較強(qiáng),剛度加大,故基礎(chǔ)對(duì)其的嵌固作用很強(qiáng),計(jì)算時(shí)將基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)地下部分看作完全嵌固的結(jié)構(gòu);③利用等效條件,將2種鋼結(jié)構(gòu)混凝土的剛度數(shù)據(jù)等效折算出來.

PKPM具有強(qiáng)大的計(jì)算能力,能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算,用其在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí),可準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的時(shí)程、位移譜和瞬態(tài)動(dòng)力等,基于此,分析建筑結(jié)構(gòu)的抗震性.

2.2 鋼管混凝土組合異形柱概況

本文選定結(jié)構(gòu)為3.5 mm厚的開孔鋼板焊接鋼筋混凝土柱形成的T形、L形異形柱,并以其作為A戶型測(cè)試對(duì)象,利用PKPM軟件建模,設(shè)置好邊界條件并進(jìn)行加載,再進(jìn)行分析求解,分析其抗震性.圖1為建立的綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑剖面圖,建立好的A戶型建筑的承重框架如圖2所示.

圖1 綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑剖面Fig.1 Section of green steel structure building

圖2 A戶型建筑的承重框架Fig.2 Load bearing frame of apartment A

墻單元相較桿單元而言,其體積和面積越大,剛度和穩(wěn)定性越好,同等受力條件下,其變形越小,

因而在計(jì)算模型中,使用墻單元模擬連接板,以使結(jié)構(gòu)更加牢固.在3階振型中2種單元的變形參數(shù)如表2所示.

表2 異形柱結(jié)構(gòu)自振特性Table 2 Natural vibration characteristics of the structure with special-shaped columns

2.3 高度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性的影響

在研究建筑結(jié)構(gòu)抗震性能時(shí),為分析高度對(duì)其的影響,分別以結(jié)構(gòu)的10、25、35層為研究對(duì)象,利用時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算,求得對(duì)整個(gè)地震持續(xù)時(shí)間中建筑實(shí)際產(chǎn)生的位移狀況,并繪出相應(yīng)X方向的條形圖(見圖3).

圖3 X方向地震波作用下綠色建筑時(shí)程分析Fig.3 Time-history analysis of green building under X-direction seismic wave

圖3給出結(jié)構(gòu)在EI波、Taft波和人工地震波輸入條件下,結(jié)構(gòu)的X方向位移值,由此可分析不同樓層的測(cè)試對(duì)象的抗震性能,得出具有普遍性的結(jié)論.由圖3可得:在輸入3種不同的地震波的情況下,所得的結(jié)構(gòu)位移-時(shí)間曲線有相似的變化規(guī)律,且結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)時(shí)間不受地震波輸入不同的影響,結(jié)構(gòu)位移隨樓層高度增加而增大,這是因?yàn)殡S著樓層增高,結(jié)構(gòu)剛度減小,在地震作用下,建筑受力集中,變形增大,改變了結(jié)構(gòu)原有的受力模式和屈服機(jī)制,結(jié)構(gòu)抗震性變差.模型計(jì)算時(shí)復(fù)核計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),適當(dāng)加大較高層柱配筋率,增設(shè)芯柱;設(shè)計(jì)時(shí)提高抗震性能目標(biāo)至中震受剪力,可以較好地提升高樓層遇震時(shí)的抗震性能[15].

2.4 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.4.1.靜力彈、塑性分析

基于靜力彈、塑性分析方法,得到在4種不同加載模式條件下結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線如圖4所示.由圖4可知,結(jié)構(gòu)在4種加載模式下呈現(xiàn)相似變化規(guī)律,均為曲線前期平滑上升,達(dá)到臨界點(diǎn)后,則呈下降趨勢(shì),此時(shí)結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入塑性狀態(tài).模態(tài)1(X方向)加載的臨界點(diǎn)為12 mm,模態(tài)2(Y方向)加載的臨界點(diǎn)為10 mm,造成這種波動(dòng)不同步的原因是結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱分布,導(dǎo)致Y方向的加速度偏心大.

圖4 基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線Fig.4 Base shear force-vertex displacement curve

利用式(1)及式(2),將得到的pushover曲線轉(zhuǎn)換為能力譜曲線,同時(shí)建立彈、塑性需求譜曲線,把得到的能力譜曲線和需求譜曲線放在同一個(gè)坐標(biāo)中,如兩曲線相交,則稱結(jié)構(gòu)存在性能點(diǎn),亦表明結(jié)構(gòu)抗震性較好,反之較弱.也就是說:試件長(zhǎng)度與其破壞特征呈正向變化,其偏心距越大,則偏壓承載力越低;偏心方向?qū)ζ氖軌盒阅艿挠绊懴鄬?duì)較小[16].

本文選擇的鋼結(jié)構(gòu)建筑存在性能點(diǎn),其參數(shù)如表3所示.由表3可知,加載方向一定時(shí),相較于均布加載,倒三角加載的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移更大,而譜位移和基底剪力無明顯規(guī)律.

表3 綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑異形柱結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)參數(shù)Table 3 Performance point parameters of the green steel structure with special-shaped columns

2.4.2 結(jié)構(gòu)側(cè)向變形分析

基于pushover分析法,得到結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形數(shù)據(jù)如表4所示,根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范[17]可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)的層間位移角不超過1/60時(shí),滿足抗震要求.因此,由表4的數(shù)據(jù)可知,4種加載模式下所得到的最大層間位移角均小于1/50,故結(jié)構(gòu)抗震性符合規(guī)范要求.

表4 不同載荷工況下鋼結(jié)構(gòu)建筑異形柱結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值Table 4 Maximum inter-story displacement angle of special-shaped column structure of steelstructure building under different load conditions

3 結(jié) 論

本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的高度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性影響和結(jié)構(gòu)抗震性進(jìn)行分析.基于時(shí)程分析法得出3種地震波輸入下結(jié)構(gòu)不同樓層的時(shí)間-位移曲線,分析高度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性的影響,同時(shí)利用pushover分析法,通過對(duì)結(jié)構(gòu)基剪力進(jìn)行控制,得到鋼結(jié)構(gòu)在4種不同加載條件下的基底剪力-頂點(diǎn)位移值,以分析其抗震性能,得出以下結(jié)論.

1)地震作用下,不同樓層高度的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)在同一時(shí)間達(dá)到最大位移,且建筑結(jié)構(gòu)隨樓層高度增大建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度降低;相同加載條件下,建筑受力集中,變形增大,結(jié)構(gòu)抗震性變差.

2)所選取的鋼結(jié)構(gòu)方鋼管混凝土組合異形柱在4種加載模態(tài)下所得到的最大層間位移角均小于1/50,故結(jié)構(gòu)抗震性符合規(guī)范要求.

隨著工業(yè)的發(fā)展,煉鋼技術(shù)的提高,我國(guó)鋼產(chǎn)量一直保持逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),到2021年全年產(chǎn)量將超過11億t.同時(shí),全球人口的增長(zhǎng)及人民對(duì)美好生活的追求也迫切要求科學(xué)家們找到解決現(xiàn)有居住面積無法滿足人民需求的問題的途徑,鋼結(jié)構(gòu)建筑除具有施工時(shí)間短、施工不受季節(jié)影響、強(qiáng)度高、自重輕等優(yōu)點(diǎn)外,其環(huán)保指標(biāo)也優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚混混凝土結(jié)構(gòu),適合工程使用.但在建造高層鋼結(jié)構(gòu)建筑時(shí),應(yīng)該更多地關(guān)注結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形與位移,如果能解決高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震問題,就解決了人民的居住問題,也符合綠色發(fā)展理念.