高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能分析及經(jīng)濟(jì)性評價*

齊軍帥， 楊書杰， 陳 琛， 王彥博

(1 深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司， 上海 201100； 2 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院， 上海 200092)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑業(yè)產(chǎn)值逐年增加。相比于混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)因其自重輕、抗震性能好、施工速度快等特點，近年來在一大批民用建筑，尤其是多高層商業(yè)建筑中得到運用。強(qiáng)度是評價鋼材性能的一個關(guān)鍵性指標(biāo)，也是影響鋼材價格的一個重要指標(biāo)。初步研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼材強(qiáng)度的上升，其價格也隨之上升，但其單位強(qiáng)度的價格卻隨之下降。另一方面，對于高層與超高層建筑，采用高強(qiáng)鋼能夠減小柱的截面尺寸從而增加有效使用面積，降低結(jié)構(gòu)自重，減小上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的作用力，降低基礎(chǔ)造價，從而使結(jié)構(gòu)更有經(jīng)濟(jì)性[1-3]。本文運用ETABS有限元分析軟件對上海某擬建項目按照不同強(qiáng)度鋼材的鋼結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行建模分析，并對其抗震性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了初步比較。

1 工程概況

本項目位于上海市，原有結(jié)構(gòu)拆除重建，計劃改造為集影院、商業(yè)、辦公為一體的綜合體，擬采用鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。初步擬定結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)高50.8m，地上14層，地下1層，下部建有3層裙樓。建筑外墻采用玻璃幕墻體系，樓板采用壓型鋼板組合樓板結(jié)構(gòu)。底層平面尺寸為36m×39.2m,標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為22.2m×24.9m。

抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，地震影響系數(shù)最大值為0.08，抗震設(shè)計等級為三級,建筑場地土類別為Ⅳ類,場地特征周期為0.90s,周期折減系數(shù)取0.9，小震作用下阻尼比為0.03，大震作用下阻尼比為0.05；基本風(fēng)壓按50年一遇取值0.55kN/m2，地面粗糙度為B類。

2 抗震性能分析

2.1 有限元建模

按照Q345，Q460，Q690三種不同強(qiáng)度鋼材的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模比較，主要構(gòu)件截面規(guī)格見表1，2，其中Q690鋼結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件、10層邊柱和11～14層框架柱采用Q460鋼材，并在1～8層采用屈曲約束支撐(BRB)代替普通鋼支撐。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖1，結(jié)構(gòu)模型圖與立面支撐布置分別如圖2,3所示，活荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]取值。

結(jié)構(gòu)主要柱截面/mm 表1

結(jié)構(gòu)主要梁截面/mm 表2

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 結(jié)構(gòu)模型

圖3 立面支撐布置

如圖4所示，BRB的受壓和受拉性能相當(dāng)、延性與滯回性能好，BRB的滯回性能明顯優(yōu)于普通支撐[5-6]。BRB區(qū)別于普通支撐的最大特點是解決了普通支撐常見的受壓屈曲問題，使得核心單元無論受拉還是受壓都能達(dá)到全截面屈服[6]。罕遇地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)框架柱、梁分別按柱鉸(P-M2-M3)與梁鉸(M3)進(jìn)行考慮，普通支撐按軸力鉸(P)考慮。BRB在ETABS軟件中采用非線性Link單元Plsatic-Wen模型進(jìn)行模擬，對截面的線性與非線性性質(zhì)分別進(jìn)行指定。其中屈服力按照罕遇地震作用下的最不利工況進(jìn)行估算然后取值，有效剛度可以按照截面設(shè)計的屈服力與支撐長度進(jìn)行計算，屈服后剛度比為0.014 7，其本構(gòu)關(guān)系如圖5所示?？紤]到不同樓層所受到的剪力不同，分別采用人字形布置兩種承載力的BRB，其基本參數(shù)如表3所示。

圖4 滯回性能比較

圖5 BRB本構(gòu)關(guān)系

BRB基本參數(shù) 表3

2.2 多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能分析

在滿足規(guī)范[7-8]要求和現(xiàn)有研究[9-10]結(jié)果對構(gòu)件長細(xì)比以及寬厚比要求的條件下，對這3種鋼結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了多遇地震作用下的性能分析，包括周期、周期比、層間位移角以及剪重比。同時為保證模型具有可對比性，對3種鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件應(yīng)力比控制在接近的范圍，其中邊柱的應(yīng)力比控制在0.80～0.85，中柱的應(yīng)力比控制在0.90左右。

2.2.1 周期與周期比

多遇地震作用下的3種鋼結(jié)構(gòu)的前6階周期見表4，Q345，Q460，Q690鋼結(jié)構(gòu)的周期比(以扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與以平動為主的第一周期T1的比值)分別為0.66,0.66,0.67，均滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[7]對周期比小于0.9的要求。從中可以看出結(jié)構(gòu)周期隨材料強(qiáng)度增大而增加，結(jié)構(gòu)剛度相對減小，在同樣的多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)受到的地震力也相對較小。

主要周期比較/s 表4

2.2.2 層間位移角與剪重比

圖6，7分別為3種鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移角與剪重比。在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，層間位移角隨鋼材強(qiáng)度的增大而略有增加，但均滿足規(guī)范要求(不超過1/250)。由于Q690鋼結(jié)構(gòu)在1～8層采用了BRB，在多遇地震作用下BRB僅提供側(cè)向支撐作用，其剛度相比于普通支撐較小。因此，Q690鋼結(jié)構(gòu)布置BRB樓層的層間位移角與另外兩種布置普通支撐的鋼結(jié)構(gòu)層間位移角差距較大。而Q690鋼結(jié)構(gòu)的11～14層因布置的是普通支撐，層間位移角與Q460鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角較為接近。

圖6 多遇地震作用下層間位移角

圖7 多遇地震作用下剪重比

2.3 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[8]要求，選取兩條天然波和一條人工波進(jìn)行罕遇地震作用下彈塑性時程分析。本文僅提取了coaling-345天然波計算數(shù)據(jù)，其主方向波形結(jié)果如圖8所示。

圖8 coaling-345天然波

2.3.1 基本指標(biāo)對比

采用時程分析方法和反應(yīng)譜法(CQC)得到的3種鋼結(jié)構(gòu)的最大基底剪力對比見表5。

最大基底剪力對比/kN 表5

從表5中可知，Q690鋼結(jié)構(gòu)由于采用了高強(qiáng)鋼與BRB支撐，結(jié)構(gòu)剛度下降，周期增加，第1階振型周期為2.956s。多遇地震作用下，Q690鋼結(jié)構(gòu)的最大基底剪力大幅下降，采用CQC法的最大基底剪力相比于Q345鋼結(jié)構(gòu)下降了16%。罕遇地震作用下，這3種鋼結(jié)構(gòu)的基底剪力時程曲線和頂點位移時程曲線分別如圖9，10所示。由圖9可知，罕遇地震作用下，采用時程分析方法計算得到的Q690鋼結(jié)構(gòu)最大基底剪力為13 153kN，相比其他兩種鋼結(jié)構(gòu)，Q690鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的基底剪力也有大幅減小。

圖9 基底剪力時程曲線

從圖10可以看出， Q345，Q460鋼結(jié)構(gòu)的最大頂點位移分別是421，378mm。Q690鋼結(jié)構(gòu)的最大頂點位移是351mm，相比于Q345，Q460鋼結(jié)構(gòu)的最大頂點位移分別下降了17%，7%。

圖10 頂點位移時程曲線

罕遇地震作用下，3種鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角變化如圖11所示，在Q690鋼結(jié)構(gòu)的1～8層采用了BRB，其在地震作用下進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，大幅降低了地震作用，Q690鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下層間位移角較其他兩種鋼結(jié)構(gòu)有了顯著減小。但Q690鋼結(jié)構(gòu)1～4層的層間位移角則較其他兩種鋼結(jié)構(gòu)偏大，原因是在1～4層采用了較小的柱截面，且BRB的剛度小于普通支撐。

圖11 罕遇地震作用下的層間位移角

相比于Q345鋼結(jié)構(gòu)，Q690鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角有一定的下降，在采用了較小的柱截面的情況下，Q690鋼結(jié)構(gòu)的平均層間位移角下降了11.7%，表現(xiàn)出了良好的抗震性能。

2.3.2 BRB耗能分析

在小震作用下，BRB的軸力較小，未進(jìn)入塑性狀態(tài)，滯回曲線為直線，未出現(xiàn)滯回環(huán)，BRB僅提供側(cè)向支撐作用，此時其與普通支撐的作用無異。Q690鋼結(jié)構(gòu)布置BRB的1，2層軸力-位移曲線如圖12所示。

圖12 小震作用下軸力-位移曲線

Q690鋼結(jié)構(gòu)在1～8層采用了BRB，在罕遇地震作用下，其滯回性能如圖13所示。在1層和2層中(圖13(a),(b))，BRB出現(xiàn)了較為飽滿的滯回環(huán)，其耗能性能較好；而在7層和8層(圖13(c)，(d))，由于BRB受力較小，雖然也出現(xiàn)了滯回環(huán)，但其耗能遠(yuǎn)不如1層和2層的BRB。

圖13 罕遇地震作用下軸力-位移曲線

累積能量分量如圖14所示，Q345，Q460，Q690鋼結(jié)構(gòu)的總能量分別為16.7，9.8,6.8MJ，Q690鋼結(jié)構(gòu)相對于Q345鋼結(jié)構(gòu)，累積能量分量降幅高達(dá)59%。由此看出隨著結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度的增大，框架梁、柱截面相應(yīng)優(yōu)化減小，從而在滿足規(guī)范要求的同時，降低了結(jié)構(gòu)剛度。

圖14 不同鋼結(jié)構(gòu)的累積能量分量

Q345鋼結(jié)構(gòu)和Q460鋼結(jié)構(gòu)出塑性鉸情況分別見圖15，16，Q690鋼結(jié)構(gòu)框架部分未出現(xiàn)塑性鉸。由此可見，相比于布置普通支撐的Q345，Q460鋼結(jié)構(gòu)，布置BRB的Q690鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度小，在地震作用下，其輸入的能量較少，具有較好的抗震性能。

圖15 Q345鋼結(jié)構(gòu)塑性鉸

圖16 Q460鋼結(jié)構(gòu)塑性鉸

3 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性分析可以從鋼材價格、用鋼量和綜合材料費、柱網(wǎng)占用面積、基礎(chǔ)造價等方面進(jìn)行討論。下面對上述幾方面分別進(jìn)行探討。

3.1 鋼材價格分析

通過實地調(diào)查、電話聯(lián)系等方式，調(diào)查了上海地區(qū)不同強(qiáng)度等級的鋼材(工字鋼、鋼板)的價格，如圖17所示。從圖17可以看出，由于冶煉要求的提高，鋼材隨著強(qiáng)度的增加，單位重量的鋼材價格不斷上升，但單位強(qiáng)度鋼材的價格卻不斷下降，這便為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)可行性提供了必要條件，如能充分利用鋼材的強(qiáng)度，則有利于提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

圖17 鋼材價格分析

3.2 用鋼量和綜合材料費分析

從表6可看出，Q460鋼結(jié)構(gòu)用鋼量僅為Q345鋼結(jié)構(gòu)的81%，在考慮了不同牌號鋼材的價格差異后，Q460鋼結(jié)構(gòu)材料費比Q345鋼結(jié)構(gòu)降低了7.2%。Q690鋼結(jié)構(gòu)鋼材單價為418元/m2，因采用了64根BRB，參考上海地區(qū)減震技術(shù)產(chǎn)品的市場價格，BRB的造價約為1.8萬/根，由此，Q690鋼結(jié)構(gòu)的綜合材料費約為545元/m2，比Q345鋼結(jié)構(gòu)提高了5.4%。

用鋼量及材料費 表6

3.3 柱網(wǎng)占用面積

對不同鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)所占面積進(jìn)行統(tǒng)計，相比于Q345鋼結(jié)構(gòu)，Q460鋼結(jié)構(gòu)與Q690鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)所占面積分別下降了25%與44%。Q690鋼結(jié)構(gòu)與Q460鋼結(jié)構(gòu)鋼梁材質(zhì)相同，二者相比Q345鋼結(jié)構(gòu)，框架梁累積高度從7.15m下降到了6.75m，下降了5%?？梢姡邚?qiáng)鋼結(jié)構(gòu)方案可有效增大建筑的可利用面積，有利于投資方獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 基礎(chǔ)造價

一般而言，建筑工程的總投資，包括工程造價、動遷費用、征地費用等方面，結(jié)構(gòu)造價約為工程造價的30%。結(jié)構(gòu)造價又分上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價，上部結(jié)構(gòu)造價占總結(jié)構(gòu)造價的50%～70%，Q460鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量為Q345鋼結(jié)構(gòu)的80%，大幅度降低了結(jié)構(gòu)的自重，有利于降低基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的造價。綜上所述，當(dāng)使用高強(qiáng)度鋼材時，Q690鋼結(jié)構(gòu)與Q460鋼結(jié)構(gòu)的鋼材質(zhì)量分別下降了33%與19%，結(jié)構(gòu)自重的減輕意味著基礎(chǔ)造價與難度的下降，也有利于加快結(jié)構(gòu)的施工速度。除此之外，由于高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量較少，其在減少焊接、運輸、吊裝環(huán)節(jié)的工作量具有優(yōu)勢。

3.5 綜合造價的潛在影響

根據(jù)目前市場情況，高強(qiáng)鋼在建筑市場上應(yīng)用相對較少，實際采用時還需考慮當(dāng)?shù)劁摬墓┴浨闆r及運輸成本。另外，高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的焊接加工要求與普通鋼結(jié)構(gòu)焊接加工有一定差異，需要根據(jù)情況制定合理的施工方案以保證焊接質(zhì)量，使用時也需考慮因高強(qiáng)鋼焊接工藝而增加一些潛在的附加成本。

4 結(jié)論

(1)盡管高強(qiáng)鋼的單價較高，但隨著其強(qiáng)度的增加，單位強(qiáng)度的材料價格卻不斷下降，使用高強(qiáng)鋼可以大幅減小鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量，仍具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，如能充分利用其邊際效益高的優(yōu)勢，經(jīng)過合理的設(shè)計，可以降低造價。

(2)通過對比可知，Q690鋼結(jié)構(gòu)能夠較好地降低結(jié)構(gòu)剛度，減小地震作用的影響，減輕結(jié)構(gòu)自重。在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，該效果更為明顯，也能更好地體現(xiàn)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

(3)BRB可以較好地吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，降低結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件受到的地震作用效應(yīng)。從而可以避免或減小梁、柱等關(guān)鍵構(gòu)件在罕遇地震作用下的損傷。BRB相對于結(jié)構(gòu)梁、柱，維修替換較為方便，因此合理設(shè)置BRB的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，維修成本較低，可形成潛在的經(jīng)濟(jì)效益。