特殊桁架抗彎框架體系在地震區(qū)的應(yīng)用

朱光耀

(上置毅家投資管理(上海)有限公司,上海 200010)

1 工程概況

本項(xiàng)目是將2層地下室之上原有建筑拆除后,新建的品牌零售店。地上建筑面積1 951 m2,由后場(chǎng)區(qū)和前場(chǎng)區(qū)組成。后場(chǎng)區(qū)1層,功能為會(huì)議、辦公和設(shè)備間。前場(chǎng)區(qū)2層,結(jié)構(gòu)總高度12.6 m,功能為零售和少量辦公,其特點(diǎn)是大跨度、大懸挑。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年,所在地抗震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地類別Ⅱ類,設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.2 g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,抗震設(shè)防類別為丙類。50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2,基本雪壓為0.40 kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 豎向傳力體系

在滿足建筑效果和使用功能的同時(shí),為減少對(duì)現(xiàn)有地下室結(jié)構(gòu)的影響,地上結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)。除特殊構(gòu)件外,地上新建鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345B級(jí)鋼材。

2層和屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖1。2層室內(nèi)和②軸以東的建筑首層為主要的展示和銷售區(qū)域,即前場(chǎng)區(qū)。建筑要求空間內(nèi)不得暴露結(jié)構(gòu)柱,故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合南北山墻布置4根巨型鋼柱(截面H1 000 mm×800 mm×40 mm×50 mm),作為前場(chǎng)區(qū)2層樓面和屋蓋結(jié)構(gòu)的豎向支撐,2層樓面采用1 200 mm 高鋼桁架上鋪130 mm厚現(xiàn)澆混凝土壓型鋼板樓面。

②軸以西的建筑首層為后場(chǎng)區(qū),布置了12根鋼柱,采用常規(guī)鋼框架結(jié)構(gòu),其頂部采用實(shí)腹鋼梁上鋪130 mm厚現(xiàn)澆混凝土壓型鋼板組合樓面。

屋蓋結(jié)構(gòu)采用雙向正交的鋼桁架系統(tǒng),桁架上、下弦平面內(nèi)分別設(shè)置水平支撐,以增強(qiáng)屋蓋平面內(nèi)剛度。屋蓋桁架高度1 500 mm,靠近懸挑端部時(shí)逐漸收縮為變截面實(shí)腹鋼梁。屋蓋下部為室內(nèi)空間的區(qū)域鋪設(shè)輕型壓型鋼板作為保溫層和防水層的支撐。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系概述

本項(xiàng)目前場(chǎng)區(qū)的兩層鋼結(jié)構(gòu)主要由4根鋼柱支撐,其中北側(cè)2根鋼柱落在地下室混凝土框架柱頂部,南側(cè)2根鋼柱落在地下室混凝土框架梁的近似跨中位置,形成轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。4根鋼柱在東西和南北兩個(gè)方向均形成單跨框架體系。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》第8.1.5條,甲、乙類建筑和高層的丙類建筑不應(yīng)采用單跨框架,多層的丙類建筑不宜采用單跨框架。本項(xiàng)目屬于多層的丙類建筑,屬于不宜采用單跨框架之列。在不影響建筑使用功能的前提下,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以下解決方案,保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系的經(jīng)濟(jì)、合理。

2.3 東西方向——屈曲約束支撐框架(BRBF)

巨型鋼柱在東西方向上的跨度為11m,鋼柱之間可在建筑山墻內(nèi)布置人字形支撐,以形成框架—偏心支撐體系。本項(xiàng)目共使用8根耗能型屈曲約束支撐(BRB),布置于首層及2層的東西向鋼柱之間,與鋼柱及樓面桁架共同組成東西向的主要抗側(cè)力體系,見(jiàn)圖2。

圖2 軸剖面圖——BRB支撐鋼框架

BRB構(gòu)件兩端與鋼框架之間采用銷軸連接,在結(jié)構(gòu)側(cè)向位移時(shí),施加在BRB構(gòu)件上的始終保持為軸向變形,符合BRB預(yù)設(shè)的受力特性。同時(shí),BRB須在主體鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)安裝以及樓面混凝土澆筑完畢后安裝,以避免施工過(guò)程中豎向荷載在BRB內(nèi)引起附加內(nèi)力。

2.4 南北方向——特殊桁架抗彎框架(STMF)

巨型鋼柱在南北方向上的跨度約22 m,為主要的展示和零售區(qū),根據(jù)建筑使用要求,零售區(qū)內(nèi)既不能加柱,也不能設(shè)置支撐。故而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在南北方向引入特殊桁架抗彎框架體系。

原則反映規(guī)律，青年價(jià)值觀教育遵循思想政治教育的一般規(guī)律，青年價(jià)值觀教育的原則主要有以下三點(diǎn)：第一，一元主導(dǎo)原則。一定的社會(huì)存在決定著一定的社會(huì)關(guān)系，目前我國(guó)客觀存在著多元化價(jià)值觀念，也使得青年的價(jià)值取向呈現(xiàn)了多樣化，所以需要以一元主導(dǎo)在青年群體中形成共同的價(jià)值目標(biāo)。第二，動(dòng)態(tài)發(fā)展原則。世界是不斷向前發(fā)展的，價(jià)值觀教育也要不斷創(chuàng)新。教育內(nèi)容和教育方法都要結(jié)合時(shí)代主題，與時(shí)俱進(jìn)。第三，實(shí)事求是原則。開(kāi)展價(jià)值觀教育時(shí)要堅(jiān)持一切從實(shí)際出發(fā)，理論聯(lián)系實(shí)際，既要聯(lián)系青年的發(fā)展?fàn)顩r、思想實(shí)際，也要講究教育實(shí)效，避免主觀性和盲目性。

特殊桁架抗彎框架是一種適用于高烈度地震區(qū)的延性框架體系,見(jiàn)圖3。通過(guò)在樓面桁架中設(shè)置特殊段和耗能構(gòu)件,使得結(jié)構(gòu)在地震作用下,特殊段內(nèi)的耗能構(gòu)件優(yōu)先耗能屈服,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的屈服機(jī)制,提高結(jié)構(gòu)延性并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的抗震性能目標(biāo)[1]。當(dāng)柱子跨度較大時(shí),其經(jīng)濟(jì)性往往優(yōu)于普通鋼框架。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震規(guī)定(ANSI/AISC 341—16)》中對(duì)特殊桁架抗彎框架體系有較詳細(xì)規(guī)定[2]。

美國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范ASCE-7采用響應(yīng)修正系數(shù)(Response Modification Coefficient)R將彈性地震力折減至設(shè)計(jì)地震力,不同結(jié)構(gòu)體系的R值從1～8不等,延性越高的結(jié)構(gòu)體系其R值越高[3]。特殊桁架抗彎框架的地震響應(yīng)修正系數(shù)R=7,遠(yuǎn)高于R=3.5的普通鋼框架體系?？梢?jiàn)，特殊桁架抗彎框架是一種延性較好的鋼結(jié)構(gòu)體系。

圖3 特殊桁架抗彎框架屈服機(jī)制

本項(xiàng)目南北向的抗側(cè)體系采用特殊桁架抗彎框架(STMF),用于耗能的特殊區(qū)段設(shè)置在②軸和③軸的樓面和屋蓋鋼桁架跨中位置,見(jiàn)圖4。

圖4 ③軸剖面圖——特殊桁架抗彎框架

屋蓋和2層桁架特殊區(qū)段位于桁架跨中,長(zhǎng)度分別為9.45 m和5.55 m,其與跨度的比值分別為0.43和0.25,均介于0.1到0.5之間。特殊區(qū)段節(jié)間長(zhǎng)度與高度之比分別為1.31和1.03,均介于0.67到1.5之間,符合相關(guān)規(guī)定。

特殊區(qū)段內(nèi)節(jié)間以交叉斜腹桿作為主要耗能構(gòu)件。交叉斜腹桿采用鋼材強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)Y225的實(shí)心方鋼,截面邊長(zhǎng)分別為45 mm和38 mm。方鋼通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與桁架上、下弦桿焊接連接。根據(jù)ANSI/AISC 341—16規(guī)定,在特殊段內(nèi)不允許弦桿構(gòu)件的拼接,在距離特殊段的端部的一半節(jié)間長(zhǎng)度內(nèi)也不允許拼接。結(jié)合構(gòu)件公路運(yùn)輸考慮,本項(xiàng)目的拼接位置見(jiàn)圖5。另外,為減少在豎向荷載下特殊段交叉斜腹桿的應(yīng)力,本項(xiàng)目要求在鋼桁架安裝完畢后,荷載和主要附加恒載已經(jīng)施加完畢后,再焊接安裝交叉斜腹桿。

圖5 桁架特殊區(qū)段的立面圖

3 結(jié)構(gòu)彈性分析

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本項(xiàng)目主要按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì),特殊桁架部分參照ANSI/AISC 341—16進(jìn)行設(shè)計(jì)。業(yè)主方組織專家在方案階段進(jìn)行咨詢論證,專家咨詢意見(jiàn)也是本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3.2 主要參數(shù)

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》,鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí),特殊桁架的特殊區(qū)段作為主要耗能部位,抗震等級(jí)取二級(jí)。小震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析,采用剛性樓面假定,結(jié)構(gòu)嵌固位置取地下室頂面,反應(yīng)譜曲線按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行取值,阻尼比取0.04[4]。

3.3 小震彈性分析結(jié)果

振型分析得到的前4階振動(dòng)周期分別為：0.85 s(南北向平動(dòng))，0.72 s(扭轉(zhuǎn))，0.65 s(屋蓋豎向振動(dòng))，0.61 s(東西向平動(dòng))。

小震作用下,結(jié)構(gòu)在東西、南北向的最大層間位移角分別為1/628、1/517,均滿足小于1/250的限值要求。層間位移比分別為1.19、1.05,均小于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)。

小震作用下,結(jié)構(gòu)在東西、南北向的剪重比分別為0.12、0.09,均滿足大于0.032的限值要求。

3.4 豎向荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形

本項(xiàng)目一個(gè)顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是屋面的大懸挑,屋面東、西兩側(cè)的懸挑跨度分別達(dá)到了14.7 m和11.8 m。以東側(cè)懸挑為例,最遠(yuǎn)端在恒載、屋面活荷載和風(fēng)荷載下的豎向位移分別為127.1、29.8 mm和32.4 mm,顯然懸挑桁架必須預(yù)起拱。預(yù)起拱之后,活荷載和風(fēng)荷載引起的最大變形為1/236,小于預(yù)設(shè)的1/180變形限值要求。

3.5 樓面舒適度分析

本項(xiàng)目室內(nèi)2層是零售區(qū),樓面的柱間跨度為11 m,自③軸向東側(cè)懸挑5.26 m,見(jiàn)圖1。因此樓面舒適度需要滿足實(shí)際使用需求。選取最不利的4處位置進(jìn)行舒適度計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樓面舒適度響應(yīng)

因使用方本項(xiàng)目對(duì)振動(dòng)舒適度要求較高,故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在2層樓面振動(dòng)最不利位置共布置4對(duì)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD),見(jiàn)圖1。初步分析表明,若安裝TMD之后,行人行走引起的樓面豎向加速度峰值將大幅降低,其數(shù)值已達(dá)到住宅使用的舒適度要求,見(jiàn)表2。TMD將在2層樓面荷載基本施加完畢后,由專業(yè)廠家對(duì)樓面結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行TMD的詳細(xì)設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試工作。

表2 安裝TMD后的樓面響應(yīng)

3.6 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

南側(cè)2根鋼柱通過(guò)地下室頂部的混凝土梁將荷載傳遞至混凝土框架柱和基礎(chǔ)。因此該轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)關(guān)系到上部結(jié)構(gòu)的安全。南側(cè)2根鋼柱在豎向荷載下的基底反力分別為1 850 kN/2 650 kN,非線性靜力推覆分析得到的大震基底最大壓力分別為4 584 kN/5 276 kN。

根據(jù)專家咨詢意見(jiàn),轉(zhuǎn)換梁承載力應(yīng)按照大震不屈服進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。該梁原始截面為800 mm×700 mm,采用增大截面法加固,梁頂、梁底、側(cè)面的增大尺寸分別為420、400、400 mm,加固后轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 600 mm×1 520 mm。

4 非線性靜力推覆分析

4.1 概述

本項(xiàng)目采用特殊桁架抗彎鋼框架,屬于國(guó)外規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)體系,且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了BRB及特殊桁架跨中的軟鋼斜腹桿作為耗能構(gòu)件,因此應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算?？紤]到本項(xiàng)目屬于結(jié)構(gòu)體型相對(duì)規(guī)則且層數(shù)較少的框架結(jié)構(gòu),采用靜力推覆方法來(lái)考察結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能是合適的。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

滿足中國(guó)抗震規(guī)范的三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo),即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

具體來(lái)說(shuō),在多遇地震下,結(jié)構(gòu)無(wú)損壞。在罕遇地震下,結(jié)構(gòu)最大層間位移角不超過(guò)1/50。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如STMF特殊區(qū)段交叉斜桿的軸向變形，豎桿的塑性轉(zhuǎn)角變形滿足防倒塌(CP)性能目標(biāo)限值；BRB支撐軸向變形滿足生命安全(LS)性能目標(biāo)限值。其余鋼框架梁、柱塑性鉸滿足生命安全(LS)性能目標(biāo)限值(注：CP、LS性能目標(biāo)分別相當(dāng)于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》附錄M所描述的性能4、性能2)。

4.3 靜力推覆分析結(jié)果

采用SAP2000軟件對(duì)本項(xiàng)目分別在東西、南北兩個(gè)方向進(jìn)行非線性靜力推覆分析,采用1∶0.85對(duì)兩個(gè)主軸方向的推覆分析進(jìn)行組合。

從分析結(jié)果來(lái)看,各方向多遇地震的性能點(diǎn)均在彈性區(qū)段,表明結(jié)構(gòu)在小震下無(wú)破壞。在罕遇地震下,東西方向上的靜力推覆到達(dá)性能點(diǎn)時(shí),BRB支撐出現(xiàn)塑性鉸,其軸向塑性變形小于生命安全(LS)性能目標(biāo)限值。南北方向上的靜力推覆到達(dá)性能點(diǎn)時(shí),部分STMF交叉斜桿軸向出現(xiàn)塑性鉸,大部分的塑性變形小于生命安全(LS)性能目標(biāo)限值,個(gè)別桿件的塑性變形小于防倒塌(CP)性能目標(biāo)限值,見(jiàn)圖6。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震下到達(dá)性能點(diǎn)時(shí),東西、南北兩個(gè)方向的剪重比分別為23.8%、47.1%,兩個(gè)方向的最大層間位移角分別為1/120、1/103,滿足1/50的防倒塌要求。

圖6 罕遇地震下塑性鉸情況(箭頭為推覆方向)

5 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目為多層鋼框架結(jié)構(gòu),配合建筑使用功能要求采用單跨框架。為保證結(jié)構(gòu)的安全以及在大震下足夠的延性,采用美國(guó)ANSI/AISC 341—16中規(guī)定的特殊桁架抗彎框架體系。在專家指導(dǎo)下,經(jīng)過(guò)線彈性分析和非線性靜力推覆分析表明,結(jié)構(gòu)既滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的各項(xiàng)要求,在大震下又具有良好的耗能和抗震性能。目前主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完畢,各項(xiàng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合現(xiàn)行規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

本文的案例也為地震區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)建筑采用單跨框架抗側(cè)體系提供了一種解決方案。