裝配整體式空間鋼網格盒式結構住宅平面不規(guī)則樓板的研究＊

王建爍，馬克儉，申 波，聶世杰，陳佳琪，熊奇?zhèn)?/p>

(貴州大學空間結構研究中心，貴州貴陽550003)

隨著我國經濟的飛速發(fā)展，人們對物質和文化生活要求的不斷提高，尤其是在用地緊張、人口密集的城市中，人們對各類建筑提出了更新，更高的要求。建筑鋼結構由于鋼材的優(yōu)異性能，制作安裝的高度工業(yè)化以及結構體形的新穎和靈巧，已越來越廣泛地得到應用。而人們對于新建建筑審美要求的提升，各類不規(guī)則建筑也如雨后春筍般的出現;裝配整體式空間鋼網格盒式結構體系由于具有良好的空間受力性能，在滿足建筑造型新穎的要求后在結構抗震方面也有著不同于傳統結構的優(yōu)勢，本文就新型鋼網格盒式結構高層住宅平面不規(guī)則下的抗震性能做了一些探討，以期為工程應用提供參考。

1 裝配整體式空間鋼網格盒式結構體系

裝配整體式鋼空腹夾層板樓蓋結構體系是由馬克儉教授提出的，已在國內多層大跨度工程中得到應用?？臻g鋼網格盒式結構的定義為，由兩片橫向鋼網格板和多塊豎向網格組合形成盒式網格結構，網格盒式結構疊合形成多層與高層筒體，在同一層幾個盒組合后再疊合形成束筒體系結構。盒式結構采用磷石膏或脫硫石膏現場澆筑裝配整體式鋼網格框架構成住宅建筑的承重外墻及分戶墻，裝配整體式鋼空腹夾層板網格結構作為住宅建筑的樓(屋面)板體系。水平體系和豎向體系均為密肋網格結構［1］。圖1為鋼網格墻架與空腹夾層板的組合示意圖。

圖1 墻架與樓板拼接

相對于鋼框架結構，盒式結構受力比較均勻，使構件內力值大幅度減小，相應的構件截面也減小，而且截面也比較均勻。

盒式結構的樓蓋采用鋼－混凝土協同式組合空腹夾層樓蓋(圖2)，樓蓋由T型鋼上、下肋組成的雙層井字拼裝單元在拼裝點處通過高強螺栓連接，再在上面澆注一層鋼筋混凝土板，通過栓釘與上肋T型鋼梁連接。

樓蓋還克服了傳統框架“有墻就有梁”的局限性，更容易滿足戶型要求和功能要求，便于大開間、靈活劃分居室的人性化設計［2］。

圖2 空腹夾層板空間示意圖

2 平面不規(guī)則

《建筑抗震設計規(guī)范》［3］中規(guī)定了幾種平面不規(guī)則的主要類型。其中包括:扭轉不規(guī)則、凹凸不規(guī)則以及樓板局部不連續(xù)。要求建筑結構應當平面布置規(guī)則、對稱，具有良好的抗側力結構并有良好的整體性。但隨著現代建筑的造型設計的愈加奇特新穎，凹凸不規(guī)則平面結構勢必會越來越多的出現。

抗震設計必須設置豎向與水平的抗側力構件，確保慣性力的傳遞。樓板承受和傳遞側向力，在地震過程中把水平力傳遞和分配給豎向的抗側構件的同時，又要協調同一層的豎向構件的變形［4］。建筑物的樓板局部不連續(xù)會導致局部樓板剛度的削弱，使樓板平面內的剛性假設不成立。

在規(guī)則結構中剛性樓板是指平面內剛度無限，平面外剛度為0。剛性樓板假定使結構在每層樓板內只有3個自由度。而樓板開大洞或者樓板凹凸不規(guī)則的情況下，其樓面板的變形會使樓層中各個抗側構件位移和內力產生較大的變化，特別是抗側剛度較小的構件的內力會增大。結構抗震分析時，主要依照樓層屋蓋平面的變形情況采用不同的樓板假定進行計算［5］。

對于樓板凹凸不規(guī)則的情況，本文對比了在彈性樓板和剛性樓板假定下普通鋼框架結構與裝配整體式空間鋼網格盒式結構的變形及受力的差別。

3 裝配整體式空間鋼網格盒式結構體系性能對比分析

3.1 工程概況

以湖北襄陽市擬開發(fā)磷石膏為墻體的26層裝配整體式空間鋼網格盒式結構為例。兩梯四戶，結構高度80.6 m，總建筑面積約15000 m2，設防烈度6度(0.05 g)，鋼材采用Q345鋼，場地類別Ⅱ類。

圖3 普通結構標準層平面圖

圖4 盒式結構標準層平面圖

工程結構標準層如圖3、4所示，樓板呈啞鈴型，標準層的軸視圖如圖5、6所示。核心筒處平面凹進尺寸大于總尺寸的30%，同時有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，屬于凹凸不規(guī)則與樓板局部不連續(xù)。其中的啞鈴把區(qū)域是樓板的薄弱部位。樓層平面整體呈啞鈴形，樓板的平面剛度在啞鈴把區(qū)域急劇變化。

圖5 普通結構標準層軸視圖

圖6 盒式結構普通結構軸視圖

中間核心筒部分連接著兩個主體結構，協調著主體結構在地震作用下的變形。在地震作用下其很有可能早于其他豎向的抗側力構件發(fā)生破壞。

本文分別對盒式結構與普通框架結構建模分析。首先采用振型分解反應譜法，對比普通結構和盒式結構在剛性板假定與彈性板樓板假定下的不同參數。

3.2 振型分解反應譜

該工程樓板平面凹凸嚴重，屬于不規(guī)則建筑。在結構布置中利用中間部位電梯井的位置設置核心筒，與周圍鋼結構網格墻架協同工作組成混合承重結構。

結構的整體分析利用有限元分析軟件Midas。利用振型分解反應譜法進行結構抗震分析。分別進行四個模型的分析:(1)剛性板假定下普通框架結構;(2)考慮彈性板的普通框架結構;(3)剛性板假定下的盒式結構;(4)考慮彈性板的盒式結構。

四個模型的彈性分析結果表明，所有的控制性指標均滿足現行規(guī)范的要求。

圖7、圖8、圖9、圖10分別給出了四個模型在X、Y向地震作用下的樓板應力云圖。

可以看出在X方向地震作用下，當采用剛性樓板假定的時候，無論普通結構還是盒式結構核心筒內部啞鈴把的區(qū)域內應力均較為集中且呈條帶狀，而當采用彈性板計算的時候，啞鈴把部分的樓板并未起到協調應力的作用，應力反而會集中在核心筒外側的區(qū)域，呈現點集中狀態(tài)。兩者的應力分布差異很大，需提起注意。尤其是彈性板條件下電梯井壁外凸的局部區(qū)域樓板在受力較其他區(qū)域大，該處樓板應加強配筋。在Y向地震作用下的樓板應力分布差異巨大?？梢悦黠@看出在剛性樓板假設下無論普通框架結構還是盒式結構的樓板處于柱子區(qū)域部分的應力較大。由于水平力傳遞的途徑發(fā)生了阻塞，力流在凹槽處會引起應力集中［6］;而在彈性樓板設定下，樓板的應力幾乎都集中在核心筒區(qū)域，這表明彈性樓板幾乎失去了協調同一層中豎向抗側構件變形的能力。

圖7 模型1、2 X向地震sig-xx

圖8 模型1、2 Y向地震sig-yy

采用剛性樓板假定的高層建筑，由于各豎向構件的側移在相同的高度都是一致的。在水平地震作用下，地震水平剪力是按照樓層的抗側構件的剛度比例分配的，對于樓板不規(guī)則的建筑，由于樓板本身的變形，結構體系中各個豎向構件在同一高度的位移是不相同的，致使框架的位移會大于核心筒的位移，彈性樓板假定下框架的地震剪力V相較剛性樓板假定下的底層框架剪力V0會增大［7］。

圖9 模型3、4 X向地震sig-xx

圖10 模型3、4 Y向地震sig-yy

通過對比各個柱子在地震作用下的剪力值，可知普通結構矩形樓板中部的柱子受力較大，而盒式結構除角柱受力較大外，其余柱子受力較為均勻，有著更明顯的規(guī)律性。這一點為規(guī)格化生產構件提供了有利條件。表1給出盒式結構在不同樓板假定下的同層框架剪力比V/V0的值。

表1 同樓層地震剪力比值V/V0

表1中的數據均在1.0左右，并未如文獻［7］中所述差距那么大。這表明空腹夾層板密肋網格結構具有良好的剛度，能夠有效地協調各個豎向抗側構件的變形。

在Y向地震作用下，普通框架結構由于樓板中部設有柱子，能夠有效地減少彈性樓板所帶來的變形不協調的負面影響，兩種情況下的底層柱剪力差距在10% ～15%之間;而盒式結構底層角柱剪力差距較大接近19%。當普通結構去掉樓板中間的柱子之后，部分柱底剪力差接近40%，這表明在相同的跨度下，盒式結構相較普通的框架結構有相當明顯的優(yōu)勢。同時盒式結構的柱底剪力變化規(guī)律給工程師們的設計工作帶來了便利。

3.3 靜力彈塑性分析

在彈性分析的基礎上對模型3、4分別作了Y方向推覆分析，沿模型高度施加的分布力取倒三角形。推覆力線和反應譜曲線相交。圖11、12分別為模型3、4的能力譜曲線。

圖11 模型3剛性板pushover曲線

圖12 模型4彈性板pushover曲線

從圖13可以看出模型3、4性能點處的層間位移角差距并不是很大。模型4的層間位移角整體較大，最大處層間位移角值約為1/455，小于規(guī)范中規(guī)定的1/100的限值。

圖13 層間位移角

模型4早于模型3出現塑性鉸，從圖14可以看出首批塑性鉸出現的位置基本同彈性分析結果中樓板應力相對集中的位置相同。剛性板假定下，塑性鉸出現的部位集中在啞鈴把的部分，彈性板假定下核心筒外凸的部分反而較為薄弱，該區(qū)域的塑性鉸發(fā)展也很快。

圖14 第一批塑性鉸出現位置

靜力彈塑性分析說明了，樓板的凹凸不規(guī)則對于整體結構的彈塑性性能有著很大的影響。綜合地震作用的不確定性，在結構設計中應考慮到水平地震剪力的有效傳遞，核心筒凹凸部分需要做加強處理。

4 結論

對平面凹凸不規(guī)則的結構應用剛性板假定和彈性樓板模型的對比分析。結論如下:

(1)對于平面不規(guī)則的結構應當慎用剛性板假定，樓板凹凸不規(guī)則的情況下，應用剛性樓板假定可能會掩蓋真實情況下樓板應力集中的現象，影響到豎向構件的內力分布。

(2)相對于普通框架結構，盒式結構具有更良好的整體性。在凹凸不規(guī)則的平面布置下，盒式結構中的空腹夾層板能夠更好地傳遞水平剪力，協調豎向抗側構件的內力分布。

(3)樓板凹槽附近，除了要對樓板加強外，還應對豎向構件相應區(qū)域加強防止其成為大震作用下的薄弱部位。

［1］孫濤.現澆石膏外墻多高層鋼網格盒式結構節(jié)能住宅結構體系研究［D］.天津:天津大學，2012.

［2］馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網格結構理論與實踐［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］GB 50011－2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京:人中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］扶長生，劉春明.李詠雙，等.高層建筑薄弱連接混凝土樓板應力分析及抗震設計［J］.建筑結構，2008，38(3):106 －110.

［5］JGJ3－2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］扶長生，鞠進.樓板不規(guī)則對結構抗震分析設計的影響［J］.建筑結構，2010，40(6):85 －89.

［7］肖志斌，馬躍，裘濤.局部不連續(xù)鋼筋混凝土結構抗震設計［J］.工程設計學報，2003，10(4):208 －211.