義烏市文化廣場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震性能分析

沈 金, 程 柯, 干 鋼, 丁 磊, 李少華, 陳 剛

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

義烏市文化廣場位于義烏經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的核心區(qū),規(guī)劃用地面積29 362.86m2,總建筑面積為82 360.2m2,其中地上建筑面積36 471.8m2,地下建筑面積45 888.4m2,地上5層,地下3層,是集文化觀演、教育培訓(xùn)、體育健身等多種功能為一體的大型文化綜合體。建筑實(shí)景圖見圖1,建筑典型剖面圖見圖2。

圖1 建筑實(shí)景圖

圖2 建筑典型剖面圖

建筑的三大功能區(qū)塊文化館、青少年活動(dòng)中心、全民健身中心位于建筑的西北翼、東南翼、北翼。地下為地下車庫、人防工程及附屬設(shè)備用房等。項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)間為2013年,竣工時(shí)間為2017年。

2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及參數(shù)選取

本工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)［1］,抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。按照6度抗震設(shè)防要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)［2］。設(shè)計(jì)地震分組為第一組;設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g;場地土類型為Ⅱ類。多遇地震結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.04。基本風(fēng)壓(50年重現(xiàn)期)為0.35kN/m2;地面粗糙度B類?；狙?50年重現(xiàn)期)為0.55kN/m2。

3 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)

本工程地基基礎(chǔ)與樁設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。基礎(chǔ)采用天然地基獨(dú)立基礎(chǔ)(局部樁基+獨(dú)立承臺(tái))的形式。根據(jù)場地工程地質(zhì)條件和上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及荷載分布情況,主體柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)以中風(fēng)化粉砂巖為持力層,局部機(jī)械挖孔灌注樁以中風(fēng)化粉砂巖為樁端持力層。由于結(jié)構(gòu)自重及頂板覆土荷載不能滿足抗浮要求,采用巖石錨桿抗浮。

±0.00標(biāo)高處南側(cè)、東側(cè)為下沉廣場,無土的側(cè)限作用,周邊相應(yīng)位置增加剪力墻。嵌固端取為地下一層樓板。配筋時(shí)按地下一層、首層嵌固包絡(luò)設(shè)計(jì)。地下室底板面標(biāo)高分別為-9.600、-13.700m,具體見圖2。地下室外包長約166m,寬約138m,為地下3層(局部2層)結(jié)構(gòu)。

4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)體系與布置

本工程主體建筑總高度約為22.7m,地上5層、地下3層,南北向長度約120～166m,東西向?qū)捈s120m,三大功能區(qū)塊通過通道、連廊、樓梯、大臺(tái)階等連接為一個(gè)整體建筑。各區(qū)塊及之間存在多處大跨、轉(zhuǎn)換、通高、錯(cuò)層、連接薄弱、平面及剛度差異較大等不規(guī)則情況。建筑整體呈巨型懸浮方盒狀,各層均有較大出挑,二層最大出挑約13.6m、屋面最大出挑約26.65m,屋面整體覆土綠化。主體結(jié)構(gòu)為含大量大跨、大懸挑、重載的平面及豎向均不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)典型樓層平面圖見圖3～5。

圖3 二層結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 五層結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 屋面層結(jié)構(gòu)平面圖

4.1.1 結(jié)構(gòu)體系

由于建筑平面布置復(fù)雜,結(jié)構(gòu)布置不對稱,使用荷載大且分布不均勻,結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心偏差較大,在地震作用下會(huì)存在較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。另外,影劇院的舞臺(tái)、側(cè)臺(tái)、觀眾廳比較空曠,樓板布置缺失。根據(jù)這些受力特點(diǎn),整體采用鋼筋混凝土(局部型鋼混凝土)框架-剪力墻結(jié)構(gòu),合理設(shè)置剪力墻、控制上下層剛度比、調(diào)整結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心間的偏心、嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位。

在以下重點(diǎn)部位適當(dāng)設(shè)置剪力墻:文化館(劇院)舞臺(tái)周邊、觀眾廳與前廳間;青少年活動(dòng)中心樓梯間;健身中心周邊;區(qū)域錯(cuò)層部位;大洞口邊等。

4.1.2 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)各部分具體情況合理選擇采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等局部結(jié)構(gòu)形式。

(1)主臺(tái)口、后臺(tái)口大梁采用鋼筋混凝土空腹桁架,既避免單根轉(zhuǎn)換大梁截面過大及對樓層剛度的較大影響,又充分利用臺(tái)口上空的結(jié)構(gòu)高度優(yōu)化了經(jīng)濟(jì)性。側(cè)臺(tái)口大梁由于要承擔(dān)主臺(tái)屋頂重載,采用型鋼混凝土空腹桁架。

(2)主舞臺(tái)屋頂結(jié)合舞臺(tái)柵頂設(shè)置7榀鉸支于側(cè)臺(tái)口大梁上的27m跨鋼桁架,以承擔(dān)屋頂覆土、舞臺(tái)機(jī)械及吊掛等重載。

(3)劇院觀眾廳頂部結(jié)構(gòu)需承受上部的一層辦公、庭院及屋面覆土綠化,荷載較大。充分利用觀眾廳屋面至觀眾廳光橋、聲橋等吊頂高度,設(shè)5榀剛接于兩側(cè)型鋼混凝土柱跨度21～30.6m的鋼桁架。

(4)北側(cè)健身中心羽毛球館層數(shù)為2層,層高為11、12m,單跨27m,屋頂有覆土綠化。綜合考慮建筑凈高、荷載要求、結(jié)構(gòu)合理性及使用舒適度要求等因素,采用大跨型鋼混凝土框架。

(5)劇院前廳4層通高,跨度16.2～22.5m,五層樓面為辦公、屋頂為覆土綠化。設(shè)置三榀一層高的鋼桁架,充分利用建筑空間優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。

(6)南側(cè)二層自坡道延伸至大平臺(tái)的曲線輪廓采用異型、底部變高度的清水混凝土出挑,懸挑跨約4.7～13.5m。根據(jù)各處實(shí)際出挑大小,分別采用鋼筋混凝土梁、型鋼混凝土梁及鋼桁架+型鋼混凝土梁出挑。東南角最大出挑約13.5m,利用支撐上部鋼柱的出挑鋼桁架下弦伸出作為挑梁。

4.2 整體計(jì)算分析

采用SATWE、MIDAS Gen軟件進(jìn)行分析比較。SATWE計(jì)算模型見圖6,SATWE及MIDAS Gen整體計(jì)算結(jié)果見表1。在小震作用下,兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析程序計(jì)算結(jié)果相近,結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 整體計(jì)算結(jié)果

圖6 SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.3 懸挑屋檐與連接體專項(xiàng)分析

南側(cè)自主體結(jié)構(gòu)向南出挑約9.4～26.65m、東西寬約116m巨大金屬屋檐為建筑立面造型的重點(diǎn),檐口端部建筑完成厚度僅600mm。自主體結(jié)構(gòu)挑出十榀(出挑跨約9.4～26.65m)三角形鋼桁架(圖7),桁架高度根部大、端部小,充分利用建筑造型條件達(dá)到結(jié)構(gòu)相對合理、經(jīng)濟(jì)的目的。同時(shí)懸挑桁架平面外上下弦均設(shè)置次梁,上弦南側(cè)設(shè)置交叉拉條以保證桁架平面外穩(wěn)定。主要弦桿截面為H550×400×32×36、H(700～550)×400×32×36、H550×350×24×28,腹桿截面為H400×350×16×18。

圖7 南入口三角形懸挑鋼桁架

南側(cè)中部景觀平臺(tái)上空,劇院與青少年活動(dòng)中心之間設(shè)有27m跨度的整層高連接體(圖8、9),連接體下層為5層樓面辦公、上層為屋頂覆土綠化,且屋面檐口自連接體向南出挑26.65m(出挑部分無覆土)。大跨連接體正處整體結(jié)構(gòu)連接的薄弱之處,除承受自身的辦公及覆土荷載外還需承擔(dān)長懸挑屋檐傳來的荷載。如何合理設(shè)計(jì)使連接體結(jié)構(gòu)既滿足建筑功能,又滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及抗震性能要求,是本工程的關(guān)鍵之處。

圖9 施工中的連接體桁架

4.3.1 懸挑屋檐與連接體連接方式結(jié)構(gòu)選型

對連接方式進(jìn)行四種方案(圖10)比選,桿件編號(hào)見圖11。為了準(zhǔn)確考察各方案的受力特點(diǎn),方案一～三計(jì)算時(shí)不考慮樓板對其的有利作用,樓板厚度設(shè)為零,僅考慮樓板自重及樓面荷載。方案四考慮樓板的有利作用。方案一懸挑桁架方向即連接體桁架內(nèi)側(cè)平面外方向并不設(shè)置腹桿6。方案二懸挑桁架方向即連接體桁架內(nèi)側(cè)平面外方向設(shè)置腹桿6,成為雙向桁架。方案三懸挑桁架方向即連接體桁架內(nèi)側(cè)平面外方向并不設(shè)置腹桿6,上下弦設(shè)置對角水平支撐。方案三取消水平支撐,考慮樓板作用即為方案四。方案一、四桿件布置相同(截面不同),區(qū)別在于是否考慮樓板作用。表2為同等應(yīng)力比情況下各方案的構(gòu)件截面及計(jì)算指標(biāo)。

表2 同等應(yīng)力比情況下連接方式比選方案

圖10 連接方式比選方案

圖11 連接節(jié)點(diǎn)桿件編號(hào)

各桿件的定義為:1、2、3為懸挑桁架的上、下弦桿及腹桿;4、5、6為連接體桁架內(nèi)側(cè)平面外方向上、下弦桿及腹桿;7、8、9、10為連接體桁架的上、下弦桿及斜腹桿、豎腹桿。11～14為水平支撐桿件。荷載作用組合為1.35恒載+0.98活載。

方案一:1號(hào)桿拉力為3 035kN、彎矩為4 300kN·m,4號(hào)桿拉力為658kN、彎矩為6 740 kN·m。10號(hào)豎桿的剪力高達(dá)1 381kN。由于缺少6號(hào)桿,4號(hào)桿僅靠受拉無法平衡懸挑桁架1號(hào)弦桿傳來的軸力,導(dǎo)致連接體支撐桁架發(fā)生平面外的扭轉(zhuǎn),10號(hào)桿交點(diǎn)處上弦向外水平位移19.3mm,下弦向內(nèi)水平位移15.7mm,位移差達(dá)到35mm。3號(hào)桿壓力較小為115kN,基本失去作用。懸挑桁架第一跨及其內(nèi)側(cè)連接的受力形式類似于空腹桁架,以彎矩為主。因此,方案一的構(gòu)件截面較大。

方案二:1號(hào)桿拉力為3 351kN、彎矩為856kN·m,4號(hào)桿拉力為3 176kN、彎矩為1 157 kN·m。3號(hào)桿拉力為1 900 kN,6號(hào)桿拉力為1 948 kN。10號(hào)豎桿的剪力為91kN。方案二弦桿受力形式以軸力為主,腹桿發(fā)揮作用,為典型的雙向桁架受力模式。10號(hào)桿交點(diǎn)處上弦向外水平位移9.3mm,下弦向內(nèi)水平位移4.3mm,位移差較小。

方案三:1號(hào)桿拉力為3 336kN、彎矩為651kN·m,4號(hào)桿拉力為2 210kN、彎矩為950kN·m。3號(hào)桿拉力為1 774kN。和方案二相比,各桿件軸力彎矩均減小。此連接節(jié)點(diǎn)匯集4道交叉水平支撐桿件,11、14號(hào)桿拉力為1 577、85kN;12、13號(hào)桿壓力為842、683kN。10號(hào)豎桿的剪力為108kN。方案三弦桿受力形式以軸力為主,11～14號(hào)桿水平支撐替代了6號(hào)腹桿的作用,分擔(dān)了4號(hào)桿的軸力。10號(hào)桿交點(diǎn)處上弦向外水平位移9.3mm,下弦向內(nèi)水平位移4.5mm,位移差較小。

方案四:金屬屋面和混凝土樓板分界處,1號(hào)桿拉力由3 364kN減小為2 029kN,在連接節(jié)點(diǎn)邊進(jìn)一步減小為661kN。鋼梁拉力的減小是由于樓板分擔(dān)了拉力,鋼梁與樓板之間通過栓釘連接,為保證樓板能協(xié)同鋼梁共同承受拉力,則需保證栓釘?shù)目辜舫休d力不應(yīng)小于樓板拉力。以翼緣寬度400mm的鋼梁、栓釘φ19@200為例,栓釘?shù)募袅蜆前鍛?yīng)承受的拉力相距較遠(yuǎn),栓釘從前排開始,依次剪切破壞,導(dǎo)致樓板和鋼梁無法協(xié)同受力。

四個(gè)方案相比較,方案一受力不合理,構(gòu)件設(shè)計(jì)較為困難,同時(shí)懸挑桁架南端豎向位移偏大,撓度難以控制;方案二和方案三靜力受力特征類似,位移也相近;方案四栓釘無法設(shè)置以達(dá)到樓板、鋼梁協(xié)同受力的要求。

觀察整體結(jié)構(gòu)的振型,方案一、二第一振型均為連接體和懸挑桁架的Y向水平平動(dòng);方案二前五階振型均為連接體和懸挑桁架的水平、豎向及平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng);方案三第九振型為懸挑桁架下弦的平面外振動(dòng)。分析原因,方案一、二Y向即懸挑桁架方向均缺少和兩側(cè)框架柱的有效拉結(jié),巨大的荷載均需連接體X向桁架承擔(dān)再轉(zhuǎn)移到兩側(cè)框架柱上,連接體Y向剛度不足,荷載傳遞不直接,途徑較長。

另從滿足建筑使用功能考慮,方案二的斜腹桿設(shè)置影響了連接體下弦層的辦公空間。綜上所述,懸挑屋檐與連接體連接方式采用方案三。

4.3.2 連接體及懸挑桁架靜力工況計(jì)算分析

為了解連接體桁架的受力特點(diǎn),提取出連接體及相連的懸挑桁架,采用 MIDAS Gen 軟件［3］單獨(dú)計(jì)算,工況為控制工況(1.35恒載+0.98活載)。

懸挑桁架弦桿軸力遠(yuǎn)大于彎矩,所以重點(diǎn)分析軸力的傳遞。連接體及懸挑桁架構(gòu)件軸力如圖12、13所示。上弦從平面角度來看,受力性質(zhì)類似兩層高的桁架,布置豎桿及交叉斜桿。下部中間2個(gè)交叉點(diǎn)下掛屋檐上弦荷載。左側(cè)懸挑桁架荷載,主要通過上弦平面左側(cè)的斜桿、豎桿受拉或受壓傳遞給左側(cè)的三個(gè)柱支座,右側(cè)類似;中間中格斜桿受力相對較小。豎桿及斜桿的交叉布置保證了平面結(jié)構(gòu)的冗余度。水平支撐作法詳見圖14。

圖12 連接體及懸挑桁架構(gòu)件軸力圖/kN

圖13 連接體及懸挑桁架上弦平面(局部)構(gòu)件軸力圖/kN

圖14 施工中的連接體上、下弦水平支撐

連接體桁架支座柱為型鋼混凝土柱,桁架上下弦向外延伸一跨為型鋼混凝土梁。由于局部復(fù)核去除了支座相鄰跨,故未完整反映連接體最南側(cè)桁架的軸力。整體模型中,此榀桁架上下弦軸力及支座彎矩均較大,因此加大上下弦端部桿件截面確保支座的可靠性。此桁架多根桿件匯交,懸臂桁架與連接體桁架連接節(jié)點(diǎn)1及連接體桁架和支座連接節(jié)點(diǎn)2是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系成敗的關(guān)鍵。為確保連接的可靠性,對圖15所示節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元精細(xì)化分析,詳見4.3.8節(jié)。

圖15 連接體南側(cè)桁架

4.3.3 懸挑桁架變形計(jì)算分析

采用 MIDAS Gen 軟件,計(jì)算連接體桁架及懸挑桁架在標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0恒載+1.0活載)下的變形,豎向位移云圖見圖16。由圖可知,懸挑桁架相對豎向位移(端部位移減去根部位移)最大值為203-55=148mm,略大于2l/400=133.25mm(l為桁架懸挑長度,為26.65m)。同時(shí),根據(jù)分析結(jié)果可知各榀懸挑桁架之間存在最大180mm的豎向位移差,此位移差主要是由于懸挑桁架的跨度、剛度各異導(dǎo)致的變形不一致引起的,因此,考慮施工階段對懸挑桁架采取預(yù)起拱等措施以減少懸挑桁架的變形,從而減小各榀桁架端部的變形差。以滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)［4］對撓度的相應(yīng)要求。

圖16 連接體桁架及懸挑桁架在標(biāo)準(zhǔn)組合(1. 0 恒載+1. 0 活載)作用下豎向位移/mm

4.3.4 抗風(fēng)設(shè)計(jì)

鑒于屋蓋懸挑較大,受上下表面風(fēng)壓的共同作用,且在水平向和豎向都存在“喇叭口效應(yīng)”,對風(fēng)壓有一定的放大作用,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)對于體型復(fù)雜、大懸挑又有相互氣動(dòng)干擾的大跨度屋蓋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)缺乏相應(yīng)可靠依據(jù),故進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)［5］,測定建筑物表面風(fēng)壓和體型系數(shù),以確保結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析及設(shè)計(jì)安全。采用風(fēng)洞試驗(yàn)所得時(shí)程數(shù)據(jù),運(yùn)用時(shí)域法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,得到風(fēng)振系數(shù)和等效靜力風(fēng)荷載。根據(jù)本工程屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用荷載風(fēng)振系數(shù),計(jì)算得到鋼構(gòu)各節(jié)點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)在1.4～2.5之間,風(fēng)振系數(shù)較大處的平均風(fēng)壓均很小,因此實(shí)際的等效靜力風(fēng)載并不大。由于南入口處金屬檐口局部分為上下結(jié)構(gòu)層,等效靜力風(fēng)壓值的分布分為上下表面。以0°方向角為例,上表面等效靜力風(fēng)壓值最大為1.64kN/m2,位于檐口的最南端中間處,向內(nèi)向兩側(cè)逐漸減小。下表面最大風(fēng)壓位置相同,等效靜力風(fēng)壓值最大為0.67kN/m2。上表面為風(fēng)吸力,下表面為風(fēng)壓力。由于風(fēng)荷載較小且方向向上,經(jīng)驗(yàn)算對構(gòu)件截面并不起控制作用。

4.3.5 樓板應(yīng)力分析

文獻(xiàn)[6-8]指出,樓板會(huì)分擔(dān)懸挑桁架弦桿的軸力,上弦周邊及向內(nèi)延伸一跨的樓板可能因?yàn)槔^大而開裂。本節(jié)補(bǔ)充分析連接體樓板的應(yīng)力及配筋,以評(píng)估樓板的性能狀態(tài)。樓板設(shè)置為彈性膜,工況為標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0恒載+1.0活載) 。

屋面層(桁架上弦層)和五層(桁架下弦層)分別和懸挑桁架上、下弦桿相連,樓板劃分為三格區(qū)域,樓板Y向應(yīng)力見圖17。其中下格區(qū)為懸挑桁架與主體結(jié)構(gòu)銜接區(qū),受懸挑桁架受力和變形影響,樓板受力較大。上弦樓面拉應(yīng)力σtk達(dá)到6N/mm2,大于C30混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值［9］ftk=2.01N/mm2。下弦樓面相同位置壓應(yīng)力為8N/mm2,小于C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值［9］fck=20.1N/mm2。對樓板加強(qiáng)處理措施如下:屋面層下格區(qū)板厚取h=180mm,所需的鋼筋面積為As=σt×h×1 000/fyk=2 700mm2。樓板采用鋼筋桁架樓承板,樓承板桁架鋼筋選為12,另上弦附加1根12,底筋附加1根12。總配筋面積5×113×5=2 825mm2,滿足受拉要求。五層板厚取150mm,配筋為10@100。另受力最大的下格區(qū)域設(shè)為后澆區(qū)域,此范圍樓板待懸挑恒載施加完畢和桁架臨時(shí)支撐拆除后再行澆筑,以釋放部分重力荷載作用下的樓板應(yīng)力。

圖17 樓板Y向應(yīng)力圖/(N/mm2)

4.3.6 懸挑桁架及連接體系的抗連續(xù)倒塌分析

對懸挑桁架及連接桿件整體采用拆桿法［10］驗(yàn)證其抗連續(xù)倒塌能力,敏感構(gòu)件取為懸挑桁架腹桿3,連接體桁架內(nèi)側(cè)平面外方向上弦桿4,水平支撐桿件11～14。桿件編號(hào)詳見圖11。計(jì)算結(jié)果表明,輪流拆除上弦平面不同桿件4、11～14,甚至同時(shí)拆除桿件12、13,剩余結(jié)構(gòu)桿件的最大應(yīng)力比均小于1.0,表明平面連接體系具有較高的冗余度,滿足結(jié)構(gòu)抗倒塌要求。

而拆除斜腹桿3,會(huì)發(fā)生相鄰構(gòu)件屈服的情況。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［10］規(guī)定,需對懸挑部位的敏感構(gòu)件表面施加80kN/m2的附加荷載復(fù)核。根據(jù)該構(gòu)件在恒載和活載下的內(nèi)力以及附加80kN/m2側(cè)向偶然作用下的彎矩進(jìn)行相應(yīng)工況組合,按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)［4］計(jì)算得出構(gòu)件最大應(yīng)力為258MPa,小于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,這表明該桿件截面滿足設(shè)計(jì)要求。這類敏感構(gòu)件采用寬翼緣截面,以抵抗附加荷載作用下的平面外彎矩。

4.3.7 抗震性能化設(shè)計(jì)和大震彈塑性時(shí)程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［10］第3.11節(jié)相應(yīng)要求,結(jié)合構(gòu)件的受力及重要程度,確定懸挑屋檐及連接體各構(gòu)件的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

桁架計(jì)算時(shí)樓板厚度設(shè)為零。進(jìn)行非地震組合、小震組合、中震組合、大震組合作用下的計(jì)算分析。地震組合均考慮水平地震為主或豎向地震為主的不同工況。計(jì)算結(jié)果表明,由于所在地地震烈度較低,地震參與的組合對本結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)并不起控制作用。構(gòu)件設(shè)計(jì)控制組合為非地震組合(1.35恒載+0.98活載)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證關(guān)鍵構(gòu)件的可靠性,進(jìn)行罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷情況見圖18(a),屋面層樓板損傷見圖18(b)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,除部分連梁屈服外,其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯損傷,懸挑區(qū)對應(yīng)的框架柱及剪力墻完好,桁架鋼構(gòu)件均保持彈性。可見整體結(jié)構(gòu)抗震性能良好,關(guān)鍵構(gòu)件滿足大震性能目標(biāo)。支撐最南側(cè)一榀連接體桁架的左側(cè)型鋼柱及連接體上、下層樓板出現(xiàn)輕度損傷,施工圖設(shè)計(jì)加強(qiáng)此處配筋構(gòu)造措施。

圖18 構(gòu)件及樓板性能水平圖

4.3.8 節(jié)點(diǎn)有限元分析

選取圖15所示節(jié)點(diǎn)1、2作為分析對象,采用 MIDAS FEA軟件建立實(shí)體單元有限元模型,進(jìn)行節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析。節(jié)點(diǎn)內(nèi)力采用最不利荷載組合(1.35恒載+0.98活載)。節(jié)點(diǎn)2左側(cè)實(shí)為型鋼混凝土柱、梁,為簡化建模僅考慮其鋼骨部分。分析結(jié)果見圖19。由圖可見,除型鋼混凝土柱鋼骨出現(xiàn)應(yīng)力集中外(因?qū)嶋H為型鋼混凝土柱,鋼骨受力會(huì)更小),其他區(qū)域鋼材應(yīng)力最大值約 280N/mm2,均小于Q345鋼材屈服強(qiáng)度335N/mm2。

圖19 節(jié)點(diǎn)von Mise應(yīng)力云圖/(N/mm2)

5 結(jié)論

義烏市文化廣場為含大量大跨、大懸挑、重載的平面及豎向均不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過系統(tǒng)性和針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)承載力、延性得到了保障。結(jié)論如下:

(1) 針對此類空曠、樓板布置缺失的復(fù)雜結(jié)構(gòu),需合理設(shè)置剪力墻、控制上下層剛度比、調(diào)整結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心間的偏心、嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)并加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位。

(2)主體結(jié)構(gòu)根據(jù)各部分具體建筑功能、跨度需合理選擇采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等局部結(jié)構(gòu)形式。并列出了各種類型大跨度及懸挑結(jié)構(gòu)的做法,以供類似項(xiàng)目參考。

(3)重點(diǎn)闡述了大懸挑屋檐和連接體連接方式的選型并分析了此大懸挑及連接體結(jié)構(gòu)靜力、抗風(fēng)、整體振動(dòng)、中大震的受力特性。各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)受力合理、傳力直接。將空間體系的受力轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫骟w系的受力,同時(shí)冗余度高,滿足抗連續(xù)倒塌分析要求。通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定風(fēng)壓分布、體型系數(shù),確保抗風(fēng)分析的可靠性。并進(jìn)行了罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析,整體結(jié)構(gòu)抗震性能良好。