特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析
——以馬尾物聯(lián)網(wǎng)會(huì)議中心結(jié)構(gòu)為例

陳克用

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨當(dāng)今社會(huì)建筑技術(shù)提高，大量型式形態(tài)各異的建筑不斷涌現(xiàn)，也相應(yīng)產(chǎn)生了各種體系不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但對于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)仍需補(bǔ)充必要分析驗(yàn)證，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位并采取相應(yīng)措施予以加強(qiáng)，以確保結(jié)構(gòu)安全?；?，本文以馬尾物聯(lián)網(wǎng)會(huì)議中心結(jié)構(gòu)為例，探析特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

1 工程概況

福州馬尾物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目位于福州馬尾快安，為福州市重點(diǎn)工程，其中會(huì)議中心單體為3層多層結(jié)構(gòu)，建筑面積7700 m2，建筑高度17.80 m。結(jié)構(gòu)平面約64 m×38 m呈L形狀。目前，該項(xiàng)目已經(jīng)建成投入使用。其二層結(jié)構(gòu)平面如圖1所示，三層結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示，效果圖如圖3～圖4所示。

圖1 二層結(jié)構(gòu)平面

圖2 三層結(jié)構(gòu)平面

圖3 會(huì)議中心外立面實(shí)景圖

圖4 會(huì)議中心室內(nèi)實(shí)景圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，風(fēng)荷載按50年重現(xiàn)期取0.7 kPa,地面粗超度取B類。工程所在場地地震烈度為7度，地震分組為第三組，場地土類別為三類。結(jié)構(gòu)計(jì)算阻尼比為0.05。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該工程建筑內(nèi)部功能變化和外立面需要，相應(yīng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)較多。具體有：躍層斜柱、平面凹凸不規(guī)則、平面開大洞。

基于上述情況，該工程結(jié)構(gòu)采用兩種軟件(YJK和邁達(dá)斯Building)進(jìn)行小震分析，在常規(guī)多遇震反應(yīng)譜分析基礎(chǔ)上，補(bǔ)充了彈性時(shí)程分析和平面樓板。

應(yīng)力性能分析對結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度進(jìn)行評估，樓板中大震下滿足結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力要求；同時(shí)，以施工全過程完成后內(nèi)力結(jié)果作為初始荷載狀態(tài)，補(bǔ)充罕遇地震靜力彈塑性分析，以滿足大震不倒的性能水準(zhǔn)要求。

4 結(jié)構(gòu)體系及計(jì)算結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)體系

該工程上部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要柱距為8000 mm×8400 mm，其中，西南側(cè)二層標(biāo)高處因室內(nèi)挑空開大洞形成西側(cè)一列結(jié)構(gòu)為躍層斜柱，傾斜角為11.2°，最大躍層高度為13.4 m，躍層斜柱采用型鋼混凝土組合圓柱形式。同時(shí)，平面東北側(cè)兩根大框架躍層柱凸出平面也伴有開大洞，同時(shí)還形成L形不規(guī)則平面的多種因素組合結(jié)構(gòu)不規(guī)則。

4.2 小震計(jì)算結(jié)果

基于2個(gè)不同軟件的多遇震分析，結(jié)果如表1所示。

表1 多遇地震分析結(jié)果

表1分析結(jié)果顯示，兩個(gè)軟件結(jié)果相近，結(jié)構(gòu)指標(biāo)可接受；在多遇地震下，各指標(biāo)結(jié)果均小于規(guī)范限值。

4.3 彈性時(shí)程[2]補(bǔ)充分析

該工程基于特征周期Tg=0.65s前提下，并滿足選波頻譜特性、時(shí)程波有效持續(xù)時(shí)間和有效峰值原則，選取兩條天然波Coalinga-03_NO_392 (Tg=0.64)、TH1TG065(Tg=0.65)和一條人工波ArtWave -RH1TG065(Tg=0.65)進(jìn)行彈性時(shí)程補(bǔ)充分析，規(guī)范譜與反應(yīng)譜對比圖如圖5所示。

圖5 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對比圖

從圖5中曲線結(jié)果可知，3條時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，相差小于20%，符合規(guī)范中統(tǒng)計(jì)意義上相符的要求；時(shí)程分析結(jié)果如表2～表3所示。

表2 時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜比較(方向0度)

表3 時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜比較(方向90°)

表2～表3結(jié)果顯見，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得基底剪力均介于振型分解反應(yīng)譜法的65%～135%之間，且3條時(shí)程曲線計(jì)算所得基底剪力平均值介于振型分解反應(yīng)譜法的80%～120%，故，所選的各條波均滿足規(guī)范要求，且3條波包絡(luò)值小于反應(yīng)譜值，說明采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)包絡(luò)時(shí)程分析結(jié)果，小震分析采用振型反應(yīng)譜結(jié)果。

4.4 樓板中震應(yīng)力分析

為了保證結(jié)構(gòu)有效地協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件的變形，結(jié)構(gòu)各抗側(cè)力構(gòu)件之間仍能協(xié)同工作，各豎向構(gòu)件可靠地傳遞分配地震剪力至關(guān)重要。為此，針對二～四層結(jié)構(gòu)平面開大洞，進(jìn)行了設(shè)防烈度地震彈性和大震不屈服樓板應(yīng)力分析。

經(jīng)分析，設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)樓板應(yīng)力最大值為1.043 MPa，均能滿足C30混凝土材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.01 MPa，結(jié)構(gòu)仍屬于彈性范圍。在X向罕遇地震作用下四層局部應(yīng)力最大值高達(dá)2.399 MPa，Y向罕遇地震作用下四層局部應(yīng)力最大值高達(dá)2.24 MPa，均超過ftk=2.01 MPa，如圖6～圖7所示。而二層5軸交C軸處樓板平面出現(xiàn)內(nèi)陰角，應(yīng)力集中明顯，樓板在大震作用下，X向應(yīng)力突增高達(dá)1.99 MPa，如圖8所示。

圖6 四層樓板大震(X向)應(yīng)力

圖7 四層樓板大震(Y向)應(yīng)力

圖8 二層樓板大震(X向)應(yīng)力

為此，通過上述樓板應(yīng)力云圖，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，對二層局部應(yīng)力突變較大處和四層樓板應(yīng)力超過材料強(qiáng)度限值處，局部樓板板厚由原120 mm加厚至150 mm，并采取雙面雙向配筋，控制配筋率不小于0.25%方式予以加強(qiáng)。

4.5 結(jié)構(gòu)罕遇地震的PUSHOVER分析[1,3-7]

結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)中的側(cè)向位移是最能反映結(jié)構(gòu)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)性參數(shù)。根據(jù)《抗規(guī)》1.0.1條規(guī)定：當(dāng)建筑物遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞，結(jié)構(gòu)在較大的地震作用下某些部位要發(fā)生屈服，從而結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)會(huì)從彈性過渡到彈塑性，隨著塑性的發(fā)生和發(fā)展，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能會(huì)發(fā)生改變，需要考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性狀態(tài)的地震反應(yīng)分析。而推覆分析是一種在不同水準(zhǔn)的地震作用下，以結(jié)構(gòu)頂部側(cè)向位移作為整體抗震性能判據(jù)的靜力非線性分析方法。

該工程采用通用有限元軟件MIDAS/Building，在塑性鉸設(shè)置方面，各框架梁設(shè)置了彎矩鉸，在框架柱端設(shè)置了軸力彎矩鉸(PMM鉸)，推覆荷載分別按X向和Y向的第一模態(tài)形式及加速度分布形式加載。該初始荷載為1.0恒載+0.5活載，并按采用位移控制法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆，得到的能力譜和需求譜曲線如圖9所示。

圖9 PUSHover曲線

從推覆分析結(jié)果來看，罕遇地震下結(jié)構(gòu)X向頂點(diǎn)位移最大值為130.7 mm，最大層間位移角為1/109，結(jié)構(gòu)等效阻尼為12.2%；Y向頂點(diǎn)位移最大值為108.9.7 mm，最大層間位移角為1/133，結(jié)構(gòu)等效阻尼為12.1%；均滿足規(guī)范對罕遇地震下的變形限值要求。

通過能力譜曲線可以看出，結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，性能點(diǎn)以上曲線處于上升段，還具有上升的能力空間,有一定的安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)能保證大震不倒的性能要求。

同時(shí)，根據(jù)圖10～圖11結(jié)構(gòu)在性能點(diǎn)時(shí)對應(yīng)出的鉸狀態(tài)可知，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)僅少數(shù)柱出現(xiàn)塑性鉸?；?，考慮在躍層斜柱柱腳出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)采取躍層斜柱中增設(shè)型鋼加強(qiáng)措施，以保證該關(guān)鍵構(gòu)件的承載力。

圖10 性能點(diǎn)對應(yīng)柱出鉸狀態(tài)

圖11 性能點(diǎn)對應(yīng)梁出鉸狀態(tài)

5 結(jié)論

(1)多項(xiàng)不規(guī)則多層框架結(jié)構(gòu)在反應(yīng)譜分析基礎(chǔ)上，應(yīng)對結(jié)構(gòu)不規(guī)則具體情況作有針對性的補(bǔ)充分析。

(2)該項(xiàng)目樓板開大洞，較大程度削弱了樓板平面內(nèi)剛度，進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，并對局部應(yīng)力加大處和薄弱部位進(jìn)行有針對性加強(qiáng)，可控制樓板有效協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件的變形。