采用懸臂連廊連接的連體結(jié)構(gòu) 抗震性能評(píng)價(jià)及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

蘭國冠 許華南 黃清云 張 克

(龍巖學(xué)院資源工程學(xué)院， 福建 龍巖 364012)

當(dāng)連體結(jié)構(gòu)中各塔樓在體量及結(jié)構(gòu)形式上差別較大時(shí)，采用傳統(tǒng)的剛性連接形式則會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的相互耦聯(lián)振動(dòng)及較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響。當(dāng)連廊跨度不是特別大，且必須設(shè)置連廊時(shí)，建議采用懸臂連廊連接的雙塔及塔連體結(jié)構(gòu)。本次研究將針對(duì)連體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動(dòng)力特性及震害機(jī)理進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)其抗震性能。以某高層商務(wù)大樓為例,采用ABAQUS有限元軟件建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。通過模型，分析連體結(jié)構(gòu)在7度罕遇地震條件下的彈塑性時(shí)程，觀察其在罕遇地震作用下的塑性損傷、內(nèi)力分布及整體變形情況。

1 罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析計(jì)算，研究懸臂連廊對(duì)連體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，包括罕遇地震下的頂點(diǎn)位移、層間位移、基底剪力等極值。其目的是研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性行為，結(jié)構(gòu)剪力墻、梁柱、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷及塑性應(yīng)變影響。依據(jù)主要構(gòu)件的塑性損傷程度及整體變形情況，評(píng)定結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[1-2]，針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位及薄弱構(gòu)件提出結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

本次ABAQUS彈塑性分析采用基于顯式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法[3]。鋼材的動(dòng)力硬化模型采用考慮包辛格效應(yīng)的雙線性動(dòng)力硬化模型[4]，其中強(qiáng)屈比為1.25，極限塑性應(yīng)變?yōu)?0.025，在循環(huán)過程中，無剛度退化現(xiàn)象。

建立混凝土材料彈塑性損傷模型，該模型考慮了材料拉壓強(qiáng)度差異、剛度強(qiáng)度退化和拉壓循環(huán)剛度恢復(fù)等因素[5]，其軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均按《鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]來設(shè)計(jì)。分別采用受壓損傷參數(shù)dc和受拉損傷參數(shù)dt來表示混凝土材料剛度損傷，其參數(shù)值均由混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的程度所決定，dc參照混凝土材料單軸拉壓的滯回曲線取值。彈塑性損傷模型表示如下：

(1)

式中：εpl—— 混凝土受壓塑性應(yīng)變；

σun、εun—— 受壓骨架曲線上的應(yīng)力應(yīng)變；

εc—— 混凝土的峰值應(yīng)變；

η—— 受壓損傷后的抗壓剛度。

當(dāng)荷載由受拉轉(zhuǎn)為受壓時(shí)，混凝土材料抗壓剛度恢復(fù)至原有抗壓剛度,裂縫閉合；當(dāng)荷載由受壓轉(zhuǎn)為受拉時(shí)，混凝土的抗拉剛度不能恢復(fù)[6]。在圖1所示混凝土拉壓剛度恢復(fù)示意圖中，橫坐標(biāo)ε表示混凝土應(yīng)變，縱坐標(biāo)σt表示混凝土應(yīng)力。

圖1 混凝土拉壓剛度恢復(fù)示意圖

2 結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)包括結(jié)構(gòu)的總體變形要求及構(gòu)件性能目標(biāo)[7]。總體變形要求是：整個(gè)彈塑性時(shí)程分析過程不發(fā)散；結(jié)構(gòu)主體的最大層間位移角小于規(guī)范限值；結(jié)構(gòu)的最終狀態(tài)豎立不倒。根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，將結(jié)構(gòu)抗震性能按照構(gòu)件損壞程度 “無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”依次分為5個(gè)水準(zhǔn)等級(jí)。ABAQUS軟件構(gòu)件的損壞程度如表1所示，其評(píng)定依據(jù)主要是鋼材的塑性應(yīng)變程度及混凝土的受壓損傷因子[8-10]。

鋼材屈服后的強(qiáng)度不會(huì)下降，應(yīng)以塑性應(yīng)變值作為衡量其損壞程度的主要指標(biāo)。常用的Q345鋼屈服應(yīng)變約為0.002，假設(shè)鋼材塑性應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的2、4、6 倍時(shí)分別對(duì)應(yīng)輕微損壞、輕度損傷和中度損壞，則對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變分別為 0.004、0.008 和 0.012。

表1 ABAQUS 軟件中構(gòu)件損壞程度

可用受壓損傷因子Dc表示混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)的承載力下降及剛度退化程度，Dc與混凝土的剛度退化率及剩余承載力相對(duì)應(yīng)，如受壓損傷因子為0.2，表示抗壓彈性模量已退化20%。 另外，當(dāng)出現(xiàn)受壓損傷時(shí)，混凝土承載力即開始下降，Dc值越大，表示混凝土剩余承載力越小。當(dāng)Dc為0.4時(shí)，混凝土抗壓承載力約下降40%。

對(duì)于桿單元模擬的梁、柱、斜撐等構(gòu)件，構(gòu)件中的混凝土若有受壓損傷，必定造成構(gòu)件承載力下降，屬于中度損壞 — 比較嚴(yán)重?fù)p壞；而鋼材塑性應(yīng)變?cè)斐蓸?gòu)件剛度退化時(shí)承載力不一定會(huì)下降，此時(shí)，可視鋼材的塑性應(yīng)變程度將其區(qū)分為輕微損壞 — 比較嚴(yán)重?fù)p壞。

對(duì)于以承受豎向荷載和抗剪為主的剪力墻構(gòu)件，墻肢一般不滿足平截面假定。即使邊緣混凝土單元出現(xiàn)受壓損傷，整體承載力也不會(huì)立即下降，其損壞判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)放寬。剪力墻的初始軸壓比一般為0.5～0.6，當(dāng)50%的橫截面受壓損傷因子為0.5時(shí)，構(gòu)件整體抗剪和抗壓承載力仍剩余75%左右，可承擔(dān)重力荷載；因此，以剪力墻受壓損傷橫截面面積作為其嚴(yán)重?fù)p壞的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)。

連梁及樓板類似于剪力墻，以承擔(dān)豎向荷載為主，具有雙向傳力性質(zhì)，三者損壞程度判別標(biāo)準(zhǔn)也類似。

3 實(shí)例計(jì)算結(jié)果分析

某中塔懸臂的三塔連體結(jié)構(gòu)，由A、B、C 塔樓共同組成(見圖2)。其中，B塔樓為框架 — 核心筒結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑外觀及使用要求，在第20層到第24層設(shè)有通廊，在 B 塔樓主體左右兩端分別設(shè)置懸挑鋼桁架，左側(cè)出挑 24 m，右側(cè)出挑27 m，兩端與 A 塔樓和C 塔樓相連。左側(cè)桁架位于第20層 — 第24層(懸臂連廊共4 層)，鋼桁架上弦桿所在樓面標(biāo)高為 99 m，下弦桿所在樓面標(biāo)高為 83.1 m，桁架高度為12 m。右側(cè)懸挑桁架位于第20層 — 第22層，懸臂連廊樓層為2層，鋼桁架上弦桿所在樓面標(biāo)高為 92 m，下弦桿所在樓面標(biāo)高為83.1 m，桁架高度為 9 m。樓面體系采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁/板體系?？蚣?、剪力墻、懸挑鋼桁架抗震等級(jí)均為二級(jí)。

圖2 連體結(jié)構(gòu)整體立面示意圖

采用ABAQUS軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析(見圖3)。取連體結(jié)構(gòu)中間部分(B塔樓)進(jìn)行分析，共選用3組地震波(見圖4 — 圖6)，其中2組為天然波，1組為人工波。

圖3 懸臂式連體結(jié)構(gòu)(B塔樓)的ABAQUS模型

圖4 天然波 1 主方向時(shí)程曲線

圖5 天然波 2 主方向時(shí)程曲線

圖6 人工波主方向時(shí)程曲線

整體結(jié)構(gòu)混凝土受壓損傷顯示(見圖7)，結(jié)構(gòu)中上部的剪力墻普遍出現(xiàn)局部受壓損傷，損傷值大多小于0.1，為輕度損傷，而底部剪力墻保持完好，均未出現(xiàn)明顯的受壓損傷。

根據(jù)X、Y主方向?qū)娱g位移角曲線顯示(見圖8、圖9)，結(jié)構(gòu)X、Y方向最大層間位移角均小于規(guī)范中1125的限值要求。

根據(jù)混凝土框架柱的受壓損傷及梁損傷情況顯示(見圖10、圖11)，在上部樓層框架的混凝土柱出現(xiàn)約小于0.1的受壓損傷，下部樓層保持完好，大部分混凝土框架梁損傷值介于0～0.1。

圖7 整體結(jié)構(gòu)混凝土受壓損傷

圖8 x主方向?qū)娱g位移角曲線

圖9 y主方向?qū)娱g位移角曲線

據(jù)第8、20層樓板混凝土受壓損傷情況顯示(見圖12、圖13)，第8層樓板的大部分受壓損傷值小于0.1，為輕度損傷；受拉損傷主要集中于兩邊剪力墻之間，且兩邊剪力墻之間的樓板比其他部分更嚴(yán)重。第20層樓板在洞口邊緣及樓板外邊緣出現(xiàn)受拉損傷。

根據(jù)上述分析，對(duì)各構(gòu)件的損傷評(píng)價(jià)如下：

圖10 框架柱損傷情況

圖12 第8層樓板混凝土受壓損傷

圖13 第20層樓板混凝土受壓損傷

(1) 框架梁、柱損傷評(píng)價(jià)。大部分混凝土框架梁受壓損傷為0～0.1，根據(jù)表1的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此損傷屬于中度損傷；部分框架梁損傷大于0.1，為比較嚴(yán)重?fù)p傷，起到了較好的耗能作用，滿足框架梁作為耗能構(gòu)件的性能目標(biāo)。在罕遇地震作用下，框架柱的下部樓層混凝土保持完好，上部樓層混凝土出現(xiàn)小于0.1的受壓損傷，滿足框架柱部分屈服的性能目標(biāo)。

(2) 剪力墻的損傷評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)中上部的剪力墻普遍出現(xiàn)損傷值小于0.1的局部輕度受壓損傷；底部剪力墻均未出現(xiàn)明顯的受壓損傷，整體上屬于輕度損傷，在大震作用后，仍能發(fā)揮傳遞豎向荷載的作用，處于良好的工作狀態(tài)，滿足剪力墻大震下部分屈服的抗震性能目標(biāo)。

(3) 樓板損傷及抗震性能評(píng)價(jià)。第8層樓板大部分為受壓損傷值小于0.1的輕度損傷，兩邊剪力墻之間的樓板受拉損傷比其余部分嚴(yán)重。建議針對(duì)該區(qū)域樓板適當(dāng)加厚并增大配筋率。第20層樓板大部分為受壓損傷值小于0.1的輕度損傷，樓板在洞口邊緣及樓板外邊緣出現(xiàn)受拉損傷。建議針對(duì)該區(qū)域樓板適當(dāng)加厚并增大配筋率。

4 結(jié) 語

在本次研究中，以某高層商務(wù)大樓為例,采用ABAQUS有限元軟件建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分析連體結(jié)構(gòu)在7度罕遇地震條件下的彈塑性時(shí)程，觀察其在罕遇地震作用下的塑性損傷、內(nèi)力分布及整體變形情況。

(1) 根據(jù)層間位移角曲線，可知各條波作用下的時(shí)程曲線趨勢(shì)基本一致，其中天然波加速度比人工波加速度稍?。蛔畲髮娱g位移角主要出現(xiàn)在第19層和第21層，在考慮大變形的條件下，最大層間位移角值總體上滿足規(guī)范限值要求。

(2) 大震彈塑性基底剪力與小震彈性基底剪力比值為3.59～4.39，處于合理范圍，結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力。

(3) 大部分混凝土框架梁損傷屬于中度損傷，部分框架梁損傷屬于比較嚴(yán)重?fù)p傷，起到了較好的耗能作用。設(shè)計(jì)時(shí)框架梁應(yīng)滿足作為耗能構(gòu)件的性能目標(biāo)，同時(shí)應(yīng)滿足框架柱部分屈服的性能目標(biāo)。

(4) 底部剪力墻保持完好，均未出現(xiàn)明顯的受壓損傷，僅部分出現(xiàn)輕度損傷。在大震作用后，剪力墻仍能發(fā)揮傳遞豎向荷載的作用，處于良好的工作狀態(tài)，剪力墻設(shè)計(jì)應(yīng)滿足大震下部分屈服的抗震性能目標(biāo)。

(5) 在罕遇地震條件下，樓板在洞口邊緣及樓板外邊緣出現(xiàn)明顯拉裂。建議洞口邊緣及樓板外邊緣范圍樓板適當(dāng)加厚，或設(shè)置邊梁、樓板雙層雙向配筋，并適當(dāng)加大配筋率。