某屋面折型連板結(jié)構(gòu)受力分析及設(shè)計(jì)

朱思其， 楊 明， 張 明， 賀 俊

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司， 四川成都 610011)

1 工程概況

本項(xiàng)目鋼連板結(jié)構(gòu)用于連接相鄰的三棟商業(yè)裙房屋面，形成整體屋面景觀花園。鋼連板結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，呈倒Y型，縱向長度約90 m，最大寬度約44 m；裙房屋面標(biāo)高為16.9 m、23.45 m，屋面間高差6.55 m，景觀造型隨高差呈臺階狀布置。為滿足景觀種植及美觀需求，鋼連板上覆土1.2 m(局部0.8 m)，中間設(shè)置景觀洞口。

因鋼連板平面不規(guī)則性及開大洞等特點(diǎn)，采用布置靈活的梁式體系，在跨度大的位置布置桁架。考慮鋼連板僅一層，且連接的各單體體型及動(dòng)力特性差異。鋼連板的梁(桁架)與主體結(jié)構(gòu)采用弱連接，即采用橡膠隔震支座連接。為減小不規(guī)則鋼連板的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，梁(桁架)兩端均設(shè)置隔震支座。構(gòu)造上，鋼連板邊界設(shè)置隔離縫以實(shí)現(xiàn)地震作用下結(jié)構(gòu)水平向自由變形。因景觀需求,鋼連板所連接各單體存在高差形成了折梁布置。折梁傾角盡可能與景觀階梯坡度一致，以減少二次結(jié)構(gòu)耗材及自重。鋼連板結(jié)構(gòu)平面布置詳圖1，圖中陰影區(qū)域表示斜板范圍。典型梁、桁架立面詳圖2。

圖1 鋼連板結(jié)構(gòu)布置平面

圖2 典型梁、桁架立面

鋼連板結(jié)構(gòu)的桁架凈高均為3.5 m，桿件截面均為焊接箱型；梁截面采用焊接H型鋼，主梁(桁架)鋼材型號均為Q390，現(xiàn)澆混凝土樓板強(qiáng)度等級為C30，板厚180 mm。屋面附加恒載考慮覆土及二次結(jié)構(gòu)取值為26 kN/m2、19 kN/m2；活荷載取值為4.0 kN/m2。

項(xiàng)目抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防(乙類)，設(shè)防烈度為7度(0.10g)，場地類別為II類場地，設(shè)計(jì)地震分組為3組。具有附加恒載大，跨度大(最大跨度28 m)特點(diǎn)，按照J(rèn)GJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算豎向地震作用。此外，作為梁支座的主體結(jié)構(gòu)梁、柱應(yīng)按照中震抗彎彈性，大震抗剪彈性設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 隔震支座設(shè)計(jì)

在梁(桁架)端部設(shè)置隔震支座，通過隔震支座較小的水平剛度改變結(jié)構(gòu)剛度特性，延長自振周期，以及支座中的鉛芯阻尼耗散地震能量，到達(dá)隔離水平地震作用的目的。但隔震支座豎向剛度大，因而不能隔離掉豎向地震。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)隔震支座一般包括隔震橡膠支座類、摩擦擺支座類、彈簧阻尼支座類等。根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)，選用隔震橡膠支座。

隔震支座設(shè)計(jì)步驟包含支座初選及罕遇地震下變形驗(yàn)算兩部分。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》12.2.3條規(guī)定，隔震支座重力荷載代表值下的壓應(yīng)力不超過支座的長期面壓限值。初步以支座承受壓應(yīng)力(重力荷載代表值)的1.2倍，預(yù)估出支座型號及其力學(xué)性能如表1。

表1 鉛芯隔震橡膠支座力學(xué)性能

注：1.表中所列隔震墊承載力系以允許承載力12 MPa(乙類)計(jì)算所得，其它類建筑請換算；

2.隔震支座的極限水平變位按規(guī)范取有效直徑的0.55倍和橡膠總厚度3倍的較大值。

采用YJK軟件驗(yàn)算罕遇地震作用下支座變形。計(jì)算隔震支座變形需求，大震等效彈性分析是最便捷、快速的方法。拼接三棟商業(yè)裙房以及連板的整體模型，前處理中通過定義連接屬性模擬隔震支座，單點(diǎn)約束將支座屬性賦于柱底節(jié)點(diǎn)，完成隔震支座模擬。調(diào)整以下參數(shù)：全樓阻尼比7 %，連梁剛度折減系數(shù)0.3，邊、中梁剛度放大系數(shù)1.2，周期折減系數(shù)1.0，考慮雙向地震作用。用彈性分析方法近似模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性后剛度及耗能的狀態(tài)。計(jì)算得到罕遇地震下支座位移如表2。

表2 罕遇地震下支座變形需求 mm

由表2可知，隔震支座變形限值均大于罕遇水準(zhǔn)雙向地震變形需求。另外，考慮豎向地震時(shí)，罕遇地震作用下的豎向壓應(yīng)力小于支座的短期面壓，且無支座拉應(yīng)力出現(xiàn)，隔震支座選取滿足要求。

2.2 鋼連板受力分析

項(xiàng)目樓板折型布置，且梁跨度不均勻，板中間開大洞，以上特點(diǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)受力分析采用MIDAS GEN軟件，采用殼單元模擬樓板，面內(nèi)面外厚度180 mm，網(wǎng)格劃分尺寸1 m×1 m。根據(jù)上述所選隔震支座性能，完成軟件中邊界條件定義。由于水平地震作用已經(jīng)通過隔震支座隔離，以下分析主要針對結(jié)構(gòu)承受豎向荷載(包括豎向地震)。

板的主拉、主壓力如圖3所示。圖中，洞口周圍，桁架位置及梁跨度變化的位置，板中存在較大拉(壓)力。最大拉力為1 800 kN/m,，最大壓力為4 800 kN/m。假設(shè)板中無鋼筋，軸力由混凝土獨(dú)自承擔(dān)，則混凝土最大拉應(yīng)力為10 MPa，混凝土開裂，最大壓應(yīng)力為27 MPa，混凝土壓碎。平板位置軸力很小，可忽略不計(jì)。

(a)板主拉力

(b)板主壓力圖3 板主拉、壓內(nèi)力

形成上述斜板受力的主要原因：(1)梁、桁架構(gòu)件抗彎剛度差異，板撓度分布不均勻，部分荷載以軸力形式在板平面內(nèi)傳遞；(2)桁架上弦桿受壓，板與梁協(xié)調(diào)變形共同受力，因此桁架上弦處板受壓明顯。

板中存在較大主拉、壓力，梁與板協(xié)調(diào)變形，梁受力狀態(tài)也將區(qū)別于一般的平板連體結(jié)構(gòu)。因此，建立無板單元的模型，板重及其他板荷按照常規(guī)導(dǎo)荷施加在梁上。著重考察有板模型和無板模型梁彎矩及桁架弦桿軸力的差異。兩個(gè)模型的梁彎矩(桁架下弦桿軸力)結(jié)果如圖4所示。圖中編號16～22，結(jié)構(gòu)樓板平置，有板和無板模型構(gòu)件內(nèi)力基本大小一致；編號1～15，結(jié)構(gòu)樓板折型布置，有板和無板模型構(gòu)件受力差異最大30 %，普遍超過10 %。從內(nèi)力分布可看出，有板模型各梁(桁架)內(nèi)力差異明顯小于無板模型，因?yàn)樾卑甯淖儾糠趾奢d傳遞路徑，增強(qiáng)了各梁(桁架)間協(xié)同受力。

圖4 有板與無板模型桿件內(nèi)力比較

以上梁、板受力特點(diǎn)可得出如下啟示：

(1)斜板對梁受力的影響是不可忽略的，工程中出現(xiàn)類似斜板的情況，應(yīng)該在模型中精細(xì)模擬板單元。又考慮到實(shí)際項(xiàng)目中，混凝土板與鋼梁(桁架)通過栓釘連接，極限情況可能出現(xiàn)梁、板滑移，則受力介于有板與無板模型之間。因此，從項(xiàng)目安全角度出發(fā)，取無板模型與有板模型作包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(2)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮板平面內(nèi)軸力(圖3受力較大位置)。本項(xiàng)目樓板雙層雙向配筋，加強(qiáng)洞口周圍及桁架處板配筋。此外，混凝土板和鋼構(gòu)件界面抗剪設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮板內(nèi)軸力，防止出現(xiàn)滑移。項(xiàng)目中，用180 mm厚混凝土全截面受壓得到的縱向剪力計(jì)算抗剪栓釘個(gè)數(shù)，每隔200 mm設(shè)置2根4.6級φ19 mm的栓釘。

2.3 豎向地震作用

鋼連板結(jié)構(gòu)按照豎向振型分解反應(yīng)譜法求解豎向地震作用，豎向地震影響系數(shù)按規(guī)范取水平地震影響系數(shù)的65 %。在MIDAS GEN中定義反應(yīng)譜函數(shù)及反應(yīng)譜工況并自動(dòng)生成荷載組合，如此軟件按照考慮和不考慮地震作用的荷載組合作包絡(luò)設(shè)計(jì)。查看所有構(gòu)件設(shè)計(jì)信息，所有構(gòu)件均按不考慮豎向地震作設(shè)計(jì)，故豎向地震對構(gòu)件設(shè)計(jì)不起控制作用。統(tǒng)計(jì)各梁豎向地震下內(nèi)力與重力荷載代表值內(nèi)力的比值(豎向地震作用系數(shù))，基本小于0.05。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分析及構(gòu)造

采用ABAQUS對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析并指導(dǎo)設(shè)計(jì)，軟件中焊接鋼板用殼單元S4R模擬。對于折梁彎折處構(gòu)造(圖5)，第一種構(gòu)造的梁翼緣不倒角，三根加勁肋布置成呈扇形，最大Mises應(yīng)力在梁上翼緣(332 MPa)；第二種構(gòu)造的梁上翼緣倒角半徑1 m，下翼緣倒角半徑2.8 m，三根加勁肋布置呈扇形，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在梁下翼緣(320 MPa)；第三種構(gòu)造的梁上下翼緣倒角半徑均為1 m，三根加勁肋平行布置，最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在梁上翼緣(251 MPa)。顯然，設(shè)計(jì)采用第三種構(gòu)造。

圖5 改進(jìn)前、后的折梁彎折點(diǎn)應(yīng)力

同理，桁架彎折點(diǎn)處構(gòu)造需平滑處理，并增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域板件厚度，合理設(shè)置加勁肋，具體箱型桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)詳見文獻(xiàn)[3]。桁架節(jié)點(diǎn)受力分析經(jīng)ABAQUS驗(yàn)證合理，板件Mises應(yīng)力均不超過300 MPa。典型節(jié)點(diǎn)大樣如圖6。

圖6 桁架典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

除鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)構(gòu)造外，保證連板結(jié)構(gòu)自身的整體性構(gòu)造也極為重要。本項(xiàng)目設(shè)置了連接梁上、下翼緣(桁架上、下弦)的支撐體系，加上前述抗剪栓釘?shù)脑O(shè)置，保證結(jié)構(gòu)在地震時(shí)具有良好的整體剛度。

3 結(jié)論

通過上述鋼連板結(jié)構(gòu)的整體及節(jié)點(diǎn)受力分析，可得出如下主要結(jié)論：

(1)連接單體動(dòng)力特性差異大，且所處樓層不高的連體結(jié)構(gòu)，可采用與項(xiàng)目類似的弱連接形式。

(2)混凝土折板與鋼梁(桁架)協(xié)調(diào)受力，板增強(qiáng)了各梁(桁架)之間的協(xié)同受力，同時(shí)在板中產(chǎn)生較大軸力。工程上可采用有板模型與無板模型對構(gòu)件作包絡(luò)設(shè)計(jì)。針對折板的受力特點(diǎn)，需根據(jù)建立板單元的模型分析結(jié)果，對相關(guān)范圍樓板配筋加強(qiáng)；并加強(qiáng)折板與鋼梁(桁架)之間的抗剪連接設(shè)計(jì)。

(3)折梁(桁架)在彎折點(diǎn)處應(yīng)力集中明顯，文章為解決類似構(gòu)造問題提供了一定的參考。