單跨多層廠房裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析＊

華建坤，馬克儉，孫敬明，楊志勇，張瑞鵬

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市建筑的越發(fā)密集，在土地資源日益緊缺的今天，工業(yè)廠房的發(fā)展逐步走上了多層化道路。由于建筑鋼材的優(yōu)異性能，制作安裝的高度工業(yè)化以及結(jié)構(gòu)形式的新穎和靈巧，馬克儉院士以國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)三原則——節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展及節(jié)約資源、節(jié)約土地變廢為寶為指導(dǎo)，提出了新型裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)。較之傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，盒式結(jié)構(gòu)具有良好的空間受力性能［1］。本文就此新型結(jié)構(gòu)對一擬建單跨四層廠房進(jìn)行了靜力彈塑性分析，對其抗震性能及破壞形式進(jìn)行探討，以期對工程應(yīng)用提供參考。

1 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系

目前馬克儉教授研發(fā)的裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)已在我國多地的多層大跨工程中得到了應(yīng)用。裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)是由橫向鋼—混凝土協(xié)同式空腹夾層板與豎向鋼網(wǎng)格墻架組合而成?？崭箠A層板網(wǎng)格尺寸較小，網(wǎng)格式墻架柱距較密且柱間設(shè)置層間橫梁，橫向與豎向形成三維受力體系，具有“板”的力學(xué)效應(yīng)［2］。相對于常規(guī)鋼框架廠房，盒式結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布比較均勻，內(nèi)力幅值大為降低且具有足夠多的結(jié)構(gòu)冗余度，進(jìn)而使構(gòu)件截面尺寸大為減小且截面尺寸變化較少［2］。圖1為鋼網(wǎng)格墻架與空腹夾層板的組合示意圖。

圖1 空腹夾層板與網(wǎng)格墻架鏈接示意圖

盒式結(jié)構(gòu)樓蓋采用鋼—混凝土協(xié)同式組合空腹夾層板樓蓋，樓蓋由T 型鋼上、下肋及剪力鍵組成的井字拼裝單元在拼裝點(diǎn)處通過高強(qiáng)螺栓連接，上肋于翼緣處通過設(shè)置栓釘使其與上方現(xiàn)澆混凝土板形成共同工作體系(如圖2)。

圖2 空腹夾層板空間示意圖

2 工程概況

某擬建單跨多層工業(yè)廠房，建筑平面幾何尺寸為21.0 m×63.0 m，共四層，第一層層高7.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5 m。根據(jù)《抗震規(guī)范》［3］，按7 度(0.01 g)、設(shè)計地震分組第一組進(jìn)行抗震設(shè)防，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg取值0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比4%，樓面恒荷載取值1.5 kN/m2(吊頂及裝飾抹灰荷載)，活荷載取值5.0 kN/m2，屋蓋恒荷載取值3.0 kN/m2，活荷載取值0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓0.35 kN/m2。由于廠房建筑樓蓋平面長、短邊之比LX/LY=3≥1.5，空腹夾層板采用正交斜放式空腹網(wǎng)格［2］，以便充分發(fā)揮其三維受力的空間力學(xué)效應(yīng)?？崭箠A層板網(wǎng)格尺寸為3.5 m×3.5 m，夾層板厚度取值800 mm(短跨方向跨度1/25－1/30)，下部柱間距為3.5 m。標(biāo)準(zhǔn)層每層分別設(shè)置2道層間橫梁，具體截面尺寸見表1。本文采用SAP2000 大型有限元分析軟件進(jìn)行模型計算，結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

表1 盒式結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸表

圖3 盒式結(jié)構(gòu)模型圖

3 靜力彈塑性分析

3.1 靜力彈塑性分析方法

靜力彈塑性分析，也稱push-over 分析，是一種將地震作用轉(zhuǎn)化為橫向靜力荷載，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步加載直至結(jié)構(gòu)模型控制點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)傾覆為止，控制點(diǎn)一般設(shè)置在建筑物頂層的形心位置。通過push-over 分析可以得到結(jié)構(gòu)基底總剪力與頂點(diǎn)側(cè)向位移關(guān)系曲線，并且由公式1，2 可將其轉(zhuǎn)化為能力譜曲線。橫向靜力荷載作用下的能力譜曲線與地震需求譜位于同一坐標(biāo)系中所產(chǎn)生的交點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)。通過對結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)處層間位移曲線、塑性鉸分布情況及薄弱部位的分析，來綜合評估地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能。

式中:α1—第一振型質(zhì)量參與系數(shù)

mi—i 層的質(zhì)量

γ1—第一振型參與系數(shù)

φik—振型k 在i 層的振幅

X1，roof—第一振型頂點(diǎn)振幅

n—層數(shù)

γk—第k 振型的振型參與系數(shù)

3.2 模型數(shù)據(jù)

本文采用SAP2000 對盒式結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了7度罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析，來綜合評估新型結(jié)構(gòu)的抗震性能。

模型中框架柱、空腹梁上下肋、剪力鍵、層間梁均采用梁單元來進(jìn)行模擬。柱子兩端分別設(shè)置PMM 鉸以考慮彎矩和軸力的耦合作用;層間梁兩端設(shè)置M3 鉸;剪力鍵分別考慮兩個方向的剪切和彎矩作用而在兩端設(shè)置V2、V3 鉸以及M2、M3 鉸;空腹梁上肋按壓彎構(gòu)件考慮，在其兩端設(shè)置P 鉸與M3 鉸;空腹梁下肋按拉彎構(gòu)件考慮，在其兩端設(shè)置P 鉸與M3 鉸。圖4為空腹梁與剪力鍵交接處節(jié)點(diǎn)主要受力簡圖。塑性鉸均采用程序默認(rèn)值，構(gòu)件骨架曲線如圖5 所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)單元計算簡圖

圖5 構(gòu)件骨架曲線

本文采用模態(tài)加載模式，由于廠房為單跨結(jié)構(gòu)，所以主要分析其單跨方向，即Y 向地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能。推覆目標(biāo)位移按建筑總高度2%設(shè)置，即420 mm。

3.3 Y 方向的push-over 分析

根據(jù)SAP2000 計算結(jié)果得到7 度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的push-over 分析曲線，如圖6 所示。結(jié)構(gòu)在性能點(diǎn)處的位移為48 mm，對應(yīng)基底剪力為3998 kN，譜加速度Sa=0.216 g，譜位移Sd=46 mm。由push-over 分析曲線可知，性能點(diǎn)處整體結(jié)構(gòu)仍處于彈性變形階段，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)屈服，整體結(jié)構(gòu)剛度保持不變，可以滿足抗震規(guī)范中“大震不倒”的要求，這是由于新型盒式結(jié)構(gòu)采用密柱的形式，柱子間距較小，同時鋼空腹夾層板樓蓋也能提供較大的剛度，與網(wǎng)格式墻架構(gòu)成一個受力整體，使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度大幅提高。新型盒式結(jié)構(gòu)可以解決單跨多層框架抗側(cè)剛度不足的弊端，進(jìn)而可以不受《抗震規(guī)范》中8.1.5 條的限制［3］。

結(jié)構(gòu)層間位移曲線和層間位移角曲線如圖7、圖8 所示。由圖7 可知，結(jié)構(gòu)在Y 方向最大層間位移出現(xiàn)在第一層，大小為26.2 mm，以上每層層間位移逐漸減小，整體結(jié)構(gòu)符合剪切變形趨勢，即上部樓層層間位移較小，下部樓層層間位移較大。由圖8 可知，結(jié)構(gòu)在Y 方向的最大層間位移角出現(xiàn)在第一層，其大小為1/287，滿足抗震規(guī)范所規(guī)定的多高層鋼結(jié)構(gòu)最大層間彈塑性位移角限值1/50。

圖6 Y 方向push-over 分析曲線

圖7 Y 方向性能點(diǎn)層間位移曲線

圖8 Y 方向性能點(diǎn)層間位移角曲線

3.4 塑性鉸發(fā)展分布圖

由于結(jié)構(gòu)位于性能點(diǎn)處仍舊處于彈性階段，構(gòu)件沒有進(jìn)入塑性變形階段，同時整體結(jié)構(gòu)并未達(dá)到所設(shè)置的推覆目標(biāo)位移，繼續(xù)加大頂點(diǎn)位移，觀察新型結(jié)構(gòu)體系在push-over 分析中塑性鉸的出現(xiàn)規(guī)律。當(dāng)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移增大至220 mm 時，結(jié)構(gòu)一層層間橫梁因截面較小、剛度較小，首先進(jìn)入塑性變形階段，出現(xiàn)塑性鉸，如圖9(a)所示。接著隨著推覆位移的增大，層間橫梁塑性鉸不斷增多。當(dāng)頂點(diǎn)位移增大到247 mm 時，底層外圍少量空腹梁下肋出現(xiàn)彎矩塑性鉸，圖9(c)所示。當(dāng)頂點(diǎn)位置增大至274 mm 時，底層部分框架柱開始進(jìn)入塑性發(fā)展階段，圖9(d)。隨著推覆位移的增大，整個結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段。結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)展規(guī)律如圖9所示。

圖9 塑性鉸發(fā)展分布圖

觀察塑性鉸發(fā)展規(guī)律，可以得知，層間梁由于截面較小、剛度較小，優(yōu)先進(jìn)入屈服階段，起到了變形耗能的作用。其次空腹梁上、下肋進(jìn)入塑性變形階段，出現(xiàn)塑性鉸。再次底層框架柱底端逐步進(jìn)入塑性變形階段。結(jié)構(gòu)破壞形式符合“強(qiáng)柱弱梁”抗震設(shè)防設(shè)計理念，破壞趨勢屬于延性破壞，符合抗震設(shè)計原則。

通過分析鋼空腹夾層板上下肋塑性鉸發(fā)展分布規(guī)律，可以得知，空腹梁上肋由于與混凝土板形成共同工作體系，因而上肋的承載能力大于下肋，其進(jìn)入屈服階段的時間晚于空腹梁下肋，且上下肋塑性鉸主要集中分布于每一層短跨方向兩側(cè)及轉(zhuǎn)角處，底層塑性鉸分布最多，隨著樓層的提升，上部塑性鉸逐漸減少，同樣符合整體結(jié)構(gòu)push 工況作用下內(nèi)力分布原則。圖10為頂點(diǎn)位移318 mm 時空腹梁塑性鉸分布圖。由此也可以得出外圍空腹梁為受力較大的薄弱部位，因此通常在設(shè)計之中，將外圍空腹梁上、下肋設(shè)計為實(shí)腹式工字鋼，以避免外圍空腹梁上下肋T 型鋼腹板由于局部彎矩的作用而進(jìn)入塑性變形階段。同時也可以解決在設(shè)計時外圍空腹梁上、下肋腹板過厚的問題。

圖10 空腹梁上下肋塑性鉸發(fā)展分布圖

4 結(jié)論

通過對新型鋼網(wǎng)格裝配整體式盒式結(jié)構(gòu)進(jìn)行Y 方向push-over 分析可以得到以下結(jié)論:

(1)由靜力彈塑性分析所得到的結(jié)構(gòu)Y 方向能力譜曲線可知，能力譜曲線與需求譜曲線可以清晰的找到性能點(diǎn)，性能點(diǎn)處結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/287，滿足抗震規(guī)范所規(guī)定的多高層鋼結(jié)構(gòu)最大層間彈塑性位移角限值1/50，表明該新型結(jié)構(gòu)體系能夠滿足7 度罕遇地震作用下“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

(2)新型鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)由具有“板”力學(xué)效應(yīng)的網(wǎng)格式墻架與空腹夾層板構(gòu)成空間受力整體，具有足夠的抗側(cè)剛度以及結(jié)構(gòu)冗余度，因而可以不受到《抗震規(guī)范》中多層乙類建筑不宜采用單跨結(jié)構(gòu)的限制。

(3)對于新型結(jié)構(gòu)體系，在push-over 分析中其塑性鉸出現(xiàn)順序?yàn)?層間梁—空腹梁下肋—空腹梁上肋—框架柱，剪力鍵由于受力較小，并未有塑性鉸產(chǎn)生。通過塑性鉸出現(xiàn)順序可以得出新型結(jié)構(gòu)體系符合建筑抗震設(shè)防“強(qiáng)柱弱梁”、延性破壞設(shè)計理念。

(4)鋼空腹夾層板外圍空腹梁為受力較大的薄弱部分，通常在設(shè)計時可將外圍空腹梁上、下肋T 型鋼改為實(shí)腹式工字鋼，以改善外圍空腹梁受力情況。

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