某超限高層中混凝土V型斜柱的抗震分析與設(shè)計(jì)

陳 凱

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于前灘地區(qū)的核心地帶(25-01地塊)，東至東育路，西及北側(cè)至楊思西路，南側(cè)臨25-02地塊。地塊總用地面積約5.9萬m2，其中北區(qū)用地面積1.8萬m2，總建筑面積5.2萬m2。地上分4棟單體(N-1，N-2/3，N-4，N-5)。

N1單體總高度為33.4 m(不包括出屋面機(jī)房)，地上6層，地下2層，平面尺寸55 m×48 m。采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，4層樓面至屋面的局部豎向構(gòu)件存在斜柱(V型柱及三叉柱)。主樓嵌固層位于地下室頂板，主體結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

2 超限情況及措施

通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，N1單體的不規(guī)則情況主要有：1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；2)樓板不連續(xù)：2層及3層樓板開洞面積大于30%；3)存在局部穿層柱、斜柱。由于存在多項(xiàng)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)判定為超限高層[1-3]。

針對(duì)該超限高層的不規(guī)則情況，在設(shè)計(jì)過程中采取了以下有針對(duì)性的分析及加強(qiáng)措施：

1)在合理計(jì)算假定的前提下，采用盈建科YJK及ETABS兩種計(jì)算軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震振型分解反應(yīng)譜分析，通過對(duì)兩種軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)，確保計(jì)算的有效性及正確性。

2)采用多條滿足規(guī)范要求的地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程補(bǔ)充計(jì)算。

3)針對(duì)部分樓層存在樓板不連續(xù)的情況，按彈性板計(jì)算假定，對(duì)樓板進(jìn)行有限元分析。結(jié)合分析結(jié)果對(duì)樓板不連續(xù)區(qū)域的板厚和配筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，同時(shí)采取在洞口邊緣設(shè)置邊梁、暗梁，應(yīng)力集中區(qū)域配置斜向鋼筋等多種構(gòu)造措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)斜柱、躍層柱這類構(gòu)件，從承載力、構(gòu)造等方面進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于多柱交匯這類受力復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，結(jié)合節(jié)點(diǎn)有限元分析等手段進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)的合理性及安全性。

5)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性推覆分析，通過分析，對(duì)結(jié)構(gòu)在大震下的性能表現(xiàn)進(jìn)行校核，同時(shí)對(duì)分析中暴露出來的薄弱區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)加強(qiáng)。

3 V型柱的設(shè)計(jì)與分析

3.1 V型柱的設(shè)計(jì)

N-1單體4層樓面以上存在V型柱和三叉柱，因此對(duì)斜柱及斜柱下層柱需進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

斜柱示意圖如圖2所示，其斜柱直徑750 mm～900 mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C60，斜柱范圍為4層樓面～7層樓面(屋面)。

本文以結(jié)構(gòu)中的某V型柱為例，對(duì)斜柱與下層柱間的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造及抗震承載能力進(jìn)行分析。為了貫徹強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)理念，保證上下層力的有效傳遞。在綜合考慮施工及受力合理性的前提下，上下層過渡節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖3所示。

該V型柱上層斜柱直徑800 mm，斜柱下層兩斜柱合并成一根直徑1 000 mm的圓柱，在兩柱合并的節(jié)點(diǎn)區(qū)，融合的柱截面不小于上部兩斜柱的面積之和，此外在原有鋼筋滿足必要的錨固搭接長度之外在柱的短向兩側(cè)增加適量的附加縱筋以保證柱的承載能力不被削弱，考慮到該節(jié)點(diǎn)區(qū)有較多的構(gòu)件交匯，為了保證鋼筋錨固的可靠性，同時(shí)貫徹強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)理念，在交匯的節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置一高1 400 mm的柱帽，柱帽平面尺寸較交匯外輪廓外擴(kuò)50 mm～150 mm。

在整體分析中我們發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)上層相匯的兩斜柱在同一水平力作用下一根受拉，另一根受壓，其中拉力為柱配筋控制內(nèi)力。根據(jù)整體分析的計(jì)算結(jié)果提取上下兩層柱在小震下的最不利荷載組合，如表1所示，其中上層斜柱的內(nèi)力為同一荷載工況下兩柱的內(nèi)力(一個(gè)受拉，一個(gè)受壓)。

表1 斜柱及下層柱的最不利荷載組合值

表2 節(jié)點(diǎn)區(qū)承載力校核采用的內(nèi)力取值

經(jīng)計(jì)算在上述兩種工況下節(jié)點(diǎn)區(qū)薄弱截面均滿足承載力要求，內(nèi)力與截面P—M—M曲線相對(duì)關(guān)系如圖4,圖5所示(其中壓為正，拉為負(fù))。

同時(shí)由于在交匯的節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置柱帽，該構(gòu)造可極大的提高節(jié)點(diǎn)區(qū)的抗剪承載力，經(jīng)復(fù)核構(gòu)造可以使節(jié)點(diǎn)滿足中震彈性的性能需求。

3.2 節(jié)點(diǎn)分析

針對(duì)本結(jié)構(gòu)中的典型V型柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)有限元分析，分析采用土木建筑結(jié)構(gòu)專用細(xì)部分析軟件midas FEA(版本號(hào)360)。

在模型中混凝土采用程序自帶的混凝土總應(yīng)變裂縫本構(gòu)模型，鋼筋采用各項(xiàng)同性的兩折線模型，混凝土的拉壓峰值及鋼筋的屈服值采用《混凝土規(guī)范》中相應(yīng)材料的設(shè)計(jì)值[4]。使用六面體實(shí)體單元和梁單元分別對(duì)混凝土和鋼筋進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋼筋單元耦合于混凝土實(shí)體單元內(nèi)部，混凝土和鋼筋骨架的分析模型如圖6所示。

依據(jù)整體分析的結(jié)果提取各荷載組合下節(jié)點(diǎn)相關(guān)各構(gòu)件的內(nèi)力值，通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式施加在模型的各相關(guān)截面上，并在KZ1的底部施加位移約束。

通過非線性靜力分析求得最不利工況下混凝土的主拉應(yīng)變和鋼筋應(yīng)力如圖7,圖8所示?？梢娪捎谏喜恳粋?cè)斜柱處于偏心受拉狀態(tài)，此時(shí)混凝土部分達(dá)到受拉強(qiáng)度極限出現(xiàn)開裂，但是鋼筋最大拉應(yīng)力為309 MPa小于鋼筋屈服強(qiáng)度值(360 MPa),由此可見構(gòu)件承載能力具有滿足設(shè)計(jì)要求且具有一定余量。

3.3 推覆分析

為了考察斜柱在大震下的性能表現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推覆分析，分別采用倒三角、矩形以及規(guī)定水平力三種推覆方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行X,Y向加載，求得結(jié)構(gòu)在性能點(diǎn)處的變形及塑性發(fā)展情況，經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)在幾種加載方式下的最大層間位移角如表3所示，均滿足規(guī)范的要求。

表3 性能點(diǎn)最大層間位移角

在推覆分析中，塑性鉸首出現(xiàn)在了局部樓層的梁端，此后隨著加載的進(jìn)行，各層梁端塑性鉸的分布范圍逐漸擴(kuò)大，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到大震性能點(diǎn)時(shí)，塑性鉸在各層框架梁端已經(jīng)有了較大范圍的分布，同時(shí)個(gè)別柱端進(jìn)入塑性。此后隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，各層柱端塑性鉸逐漸增多直至達(dá)到目標(biāo)位移，推覆結(jié)束。

對(duì)于斜柱，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，斜柱大部分區(qū)域處于彈性狀態(tài)，塑性鉸主要集中在部分斜柱交匯節(jié)點(diǎn)處，大部分處于輕微損傷階段(OP)，部分達(dá)到中度損壞(IO)，滿足設(shè)計(jì)對(duì)于該構(gòu)件大震下的性能要求。

4 結(jié)語

本文結(jié)合上海前灘25-1地塊N1單體這一具體工程案例，對(duì)V型混凝土斜柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過非線性有限元節(jié)點(diǎn)分析和推覆分析對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文采用的分析和設(shè)計(jì)方法為類似項(xiàng)目提供了借鑒和參考。