主次結(jié)構(gòu)連接方式及減震技術(shù)應(yīng)用研究*

王洪欣，李曉麗，周高照，蘆靜夫

(中建科技集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518002)

0 引言

主次結(jié)構(gòu)是近年發(fā)展起來的一種新型建筑結(jié)構(gòu)體系，由大型構(gòu)件組成的主結(jié)構(gòu)與常規(guī)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同受力[1-2]。傳力明確是主次結(jié)構(gòu)體系最顯著的特點(diǎn)之一，主結(jié)構(gòu)作為主要抗側(cè)力體系，承受自身和次結(jié)構(gòu)傳來的各種荷載，次結(jié)構(gòu)承受自身荷載和少部分作用于其上的風(fēng)荷載和地震荷載，并將力傳遞給主結(jié)構(gòu)[3]。主次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給建筑設(shè)計(jì)帶來了很大的靈活性[4]，主要表現(xiàn)在次結(jié)構(gòu)可便于構(gòu)成空洞層或次結(jié)構(gòu)在水平及豎向可不具有連續(xù)性。在施工方面，主次結(jié)構(gòu)體系可實(shí)現(xiàn)穿插施工，主結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)，下部主結(jié)構(gòu)樓層內(nèi)的次結(jié)構(gòu)可同步施工，施工效率大大提高[5]。隨著建筑物高度的增加和建筑體型的復(fù)雜化，單純依靠結(jié)構(gòu)自身抵抗水平荷載作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，主結(jié)構(gòu)采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，不僅能提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，還可形成二道防線[1]。在罕遇或極罕遇地震作用下，主結(jié)構(gòu)中的支撐作為第1道防線很有可能率先發(fā)生破壞，支撐一旦破壞，再對其進(jìn)行修復(fù)較困難，這時(shí)可將普通支撐替換成耗能支撐，形成一種有效的減震系統(tǒng)[3]。采用耗能支撐的目的是保障主結(jié)構(gòu)體系在多遇地震下處于彈性狀態(tài)，罕遇地震下減震裝置屈服，從而盡可能多地耗散地震能量，率先破壞[3,6]。目前關(guān)于主次結(jié)構(gòu)減震技術(shù)的研究較少，且沒有在實(shí)際工程中應(yīng)用。深圳市長圳公共住房及其附屬工程6號(hào)住宅樓采用鋼-混組合主次結(jié)構(gòu)體系，為在中高烈度區(qū)推廣該結(jié)構(gòu)體系，采用部分減震裝置。本文結(jié)合工程需求，研究減震技術(shù)對主次結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響，及主次結(jié)構(gòu)間的連接對結(jié)構(gòu)受力的影響，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，從而推動(dòng)該結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

深圳市長圳公共住房項(xiàng)目總建筑面積約116萬m2，共有24棟超高層住宅，是目前國內(nèi)規(guī)模最大的裝配式公共住房項(xiàng)目，其中6號(hào)住宅樓是專門為高層次人才提供的保障性住房，總建筑面積約1.64萬m2，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層有3個(gè)戶型單元，各個(gè)戶型單元的建筑面積均為150m2。6號(hào)住宅樓建筑效果如圖1所示。

圖1 6號(hào)住宅樓建筑效果

為實(shí)現(xiàn)戶型單元的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和建筑空間靈活可變，6號(hào)住宅樓采用鋼-混組合主次結(jié)構(gòu)體系。其中，主結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，由鋼管混凝土柱、鋼支撐、鋼梁和疊合樓板構(gòu)成，主結(jié)構(gòu)11層，架空層和首層層高分別為6.0，5.2m，標(biāo)準(zhǔn)層層高均為9.3m，鋼管混凝土柱內(nèi)的混凝土強(qiáng)度等級從下至上由C60逐級降至C40，預(yù)制樓板和疊合層混凝土強(qiáng)度等級分別為C40，C30。次結(jié)構(gòu)3層，層高分別為3.0，3.0，3.3m，總高度9.3m，次結(jié)構(gòu)采用輕鋼結(jié)構(gòu)，由鋼柱、鋼梁和鋼筋桁架樓承板構(gòu)成，樓板混凝土強(qiáng)度等級為C30。每個(gè)主結(jié)構(gòu)層內(nèi)含有3個(gè)次結(jié)構(gòu)，整棟樓共有27個(gè)次結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目所在地抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為丙類，安全等級為二級，主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)的抗震等級分別為二級和三級。

2 不同連接方式研究

為使實(shí)際工程中主次結(jié)構(gòu)體系受力更合理，提升結(jié)構(gòu)抗震性能、降低建造成本，本文采用盈建科軟件分析次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)連接方式對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響。

2.1 全框架形式研究

全框架形式主次結(jié)構(gòu)的次結(jié)構(gòu)單元具有完整的梁柱受力構(gòu)件，可獨(dú)立承受自身豎向荷載，頂部與主結(jié)構(gòu)框架具有架空空間，不傳遞上部主結(jié)構(gòu)框架的豎向荷載，符合模塊化單元概念，具有完整的受力體系，相對獨(dú)立。全框架形式主次結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖2所示，平面布置如圖3所示。

圖3 全框架形式主次結(jié)構(gòu)平面布置

采用盈建科軟件分析4種主次結(jié)構(gòu)連接方案，包括次結(jié)構(gòu)僅以荷載形式施加在主結(jié)構(gòu)上的主結(jié)構(gòu)單體方案及3種全框架形式的主次結(jié)構(gòu)連接方案，具體如下。

1)方案1(主結(jié)構(gòu)單體) 次結(jié)構(gòu)以荷載形式施加在主結(jié)構(gòu)上，次結(jié)構(gòu)荷載包括次結(jié)構(gòu)自重和其上的恒荷載、活荷載(見圖4a)。

2)方案2(底部連接) 次結(jié)構(gòu)底部連接在本層主結(jié)構(gòu)樓面(見圖4b)。

3)方案3(底部連接+側(cè)面連接) 次結(jié)構(gòu)底部連接在本層主結(jié)構(gòu)樓面，且次結(jié)構(gòu)每層的外圍柱與主結(jié)構(gòu)柱相連(見圖4c)。

4)方案4(底部連接+頂部連接) 次結(jié)構(gòu)底部連接在本層主結(jié)構(gòu)樓面，且次結(jié)構(gòu)頂部與上層主結(jié)構(gòu)樓面相連(見圖4d)。

圖4 主結(jié)構(gòu)單體方案及全框架形式的主次結(jié)構(gòu)連接方案

上述4種主次結(jié)構(gòu)連接方案的模型中，次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)水平連接采用鉸接、次結(jié)構(gòu)柱底與主結(jié)構(gòu)梁采用剛接、次結(jié)構(gòu)柱頂與上一層主結(jié)構(gòu)樓面采用不傳遞豎向力的滑動(dòng)連接。經(jīng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)周期、變形及層間位移角等。

1)增加主次結(jié)構(gòu)間的連接數(shù)量，可使結(jié)構(gòu)整體剛度增加、周期減小(見表1)。

表1 全框架形式4種方案的結(jié)構(gòu)周期 s

2)多遇地震作用下及風(fēng)荷載下的樓層位移如圖5,6所示。由圖5,6可知，風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)變形大于地震作用，結(jié)構(gòu)為風(fēng)荷載控制；增加連接可提高主體結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)變形，從主結(jié)構(gòu)變形量上看，主結(jié)構(gòu)單體>僅底部連接>底部連接+側(cè)面連接≈底部連接+頂部連接。

圖5 多遇地震作用下的樓層位移

圖6 風(fēng)荷載下的樓層位移

3)多遇地震作用下及風(fēng)荷載下的層間位移角如圖7,8所示(規(guī)范限值為1/300)。由圖7,8可知，次結(jié)構(gòu)作為質(zhì)量塊，其反向慣性作用可有效減小主結(jié)構(gòu)的層間變形，從主結(jié)構(gòu)層間變形量上看，主結(jié)構(gòu)單體>底部連接+側(cè)面連接≈底部連接+頂部連接>僅底部連接。

綜合考慮，為減少外圍護(hù)開洞、方便施工，并兼顧結(jié)構(gòu)受力性能，次結(jié)構(gòu)底部和頂部與主結(jié)構(gòu)相連的方案4為最佳方案。

圖7 多遇地震作用下的層間位移角

圖8 風(fēng)荷載下的層間位移角

2.2 半框架形式(優(yōu)化方案)研究

全框架形式中，次結(jié)構(gòu)通過連接構(gòu)件與主結(jié)構(gòu)相連，各連接構(gòu)件所受內(nèi)力相差較大，在不利荷載工況時(shí)連接構(gòu)件可能逐個(gè)擊破，結(jié)構(gòu)存在安全隱患。鑒于此，提出半框架形式(見圖9,10)。相較于全框架形式，半框架形式減少了部分外圍梁、柱構(gòu)件，借助主結(jié)構(gòu)梁、柱來傳遞荷載[7]。半框架形式減少了梁、柱構(gòu)件數(shù)量，結(jié)構(gòu)自重大大減小，同時(shí)由于周圍柱構(gòu)件減少，建筑室內(nèi)空間使用率更高。

圖9 半框架形式主次結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意

圖10 半框架形式的結(jié)構(gòu)平面布置

采用盈建科軟件分別建立半框架和全框架2種形式的結(jié)構(gòu)模型，得到結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)和材料用量(見表2)。由表2可知，半框架與全框架2種形式的主結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)相差不大，且均滿足規(guī)范要求，半框架形式的結(jié)構(gòu)剛度略低于全框架形式；半框架形式中由于次結(jié)構(gòu)梁、柱構(gòu)件數(shù)量大幅度減少，次結(jié)構(gòu)用鋼量減少65.8%，結(jié)構(gòu)整體用鋼梁減少23.4%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 2種形式結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)和材料用量

3 減震技術(shù)的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用方案

結(jié)合建筑戶型布置特點(diǎn)，在戶型外圍布置的鋼支撐可采用屈曲約束支撐BRB替換，在電梯間周邊設(shè)置的鋼支撐可采用防屈曲鋼板剪力墻BRW替換。由于減震裝置造價(jià)較高，在大幅度提升結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上考慮有效控制成本，進(jìn)行減震技術(shù)應(yīng)用方案的比選分析，考慮了減震裝置BRB和BRW的6種布置方案，具體方案(布設(shè)樓層)為：①方案1 不設(shè)置；②方案2 3層；③方案3 6層；④方案4 9層；⑤方案5 5，9層；⑥方案6 6，7層。減震裝置的性能參數(shù)如表3,4所示，力-位移曲線如圖11所示。

表3 屈曲約束支撐(BRB)性能參數(shù)

表4 防屈曲鋼板剪力墻(BRW)性能參數(shù)

圖11 BRB和BRW力-位移曲線

3.2 地震波選擇

根據(jù)地震波的選波原則，選取2條天然波和1條人工波進(jìn)行地震作用下的主次結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析。地震波2個(gè)方向的加速度峰值比例為1∶0.85，有效持續(xù)時(shí)間>30s，由于3條地震波的計(jì)算結(jié)果較相近，本文僅給出結(jié)構(gòu)在天然波1主方向的計(jì)算結(jié)果，如圖12所示。

圖12 天然波1加速度時(shí)程曲線

3.3 罕遇地震作用下的結(jié)果分析

3.3.1層間位移角結(jié)果

利用有限元程序佳構(gòu)STRAT分析，罕遇地震作用下，各減震構(gòu)件布置方案下的結(jié)構(gòu)層間位移角統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 各方案下的層間位移角統(tǒng)計(jì)

由表5可知，減震構(gòu)件布置在一個(gè)主結(jié)構(gòu)層時(shí)，隨著布置樓層高度的增加，結(jié)構(gòu)層間位移角減小，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度增大；減震構(gòu)件布置在2個(gè)主結(jié)構(gòu)層相對于布置在1個(gè)主結(jié)構(gòu)層時(shí)的層間位移角更小，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度更好，構(gòu)件損傷也更少。

3.3.2耗能能力比較

罕遇地震作用下，各減震構(gòu)件布置方案下的結(jié)構(gòu)耗能統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6 各方案下的耗能情況統(tǒng)計(jì)

由表6可知，減震構(gòu)件布置在1個(gè)主結(jié)構(gòu)層時(shí)，隨著布置樓層高度的增加，減震構(gòu)件耗能占比增加；減震構(gòu)件布置在2個(gè)主結(jié)構(gòu)層相對于布置在1個(gè)主結(jié)構(gòu)層時(shí)的耗能占比增加，耗能效果更好。

3.3.3構(gòu)件損傷情況比較

罕遇地震作用下，各減震構(gòu)件布置方案下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 各方案下構(gòu)件損傷統(tǒng)計(jì) 根

由表7可知，減震裝置可有效降低受力構(gòu)件的損傷程度，結(jié)構(gòu)梁、柱的損傷構(gòu)件均有下降，結(jié)構(gòu)柱避免了輕度損傷；屈曲約束支撐BRB大部分發(fā)生損傷，布置在中低區(qū)域的損傷數(shù)量較大，防屈曲鋼板剪力墻BRW全部損傷，減震構(gòu)件率先損傷耗能，形成結(jié)構(gòu)第1道防線；采用鋼-混組合的主次結(jié)構(gòu)抗震性能較好，即使未設(shè)置減震裝置，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度也較輕。

3.4 極罕遇地震作用下的結(jié)果分析

為探究減震技術(shù)對主次結(jié)構(gòu)體系抵御地震作用的能力，推廣主次結(jié)構(gòu)體系在中高烈度區(qū)的應(yīng)用，利用有限元程序佳構(gòu)STRAT對結(jié)構(gòu)在極罕遇地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。其中，考慮不設(shè)減震裝置和在主結(jié)構(gòu)第6層設(shè)置減震裝置2種情況。極罕遇地震作用下地震波的有效峰值為350cm/s2。極罕遇地震作用下主結(jié)構(gòu)柱、梁的損傷統(tǒng)計(jì)如表8所示。由表8可知，設(shè)置減震裝置后，主結(jié)構(gòu)柱、梁的損傷程度均有下降，其中柱和梁的中度損傷構(gòu)件數(shù)量減半，梁構(gòu)件避免了嚴(yán)重?fù)p傷。

表8 極罕遇地震作用下的構(gòu)件損傷統(tǒng)計(jì) 根

極罕遇地震作用下減震裝置對結(jié)構(gòu)層間位移角的影響如圖13所示。由圖13可知，不設(shè)置減震裝置和在第6層設(shè)置減震裝置時(shí)的層間位移角(規(guī)范限值為1/50),x向分別為1/127，1/198，y向分別為1/88，1/134，減震裝置的設(shè)置增大了結(jié)構(gòu)耗能能力，減少了主結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，提高了結(jié)構(gòu)在極罕遇地震作用下的抗側(cè)剛度，減小了結(jié)構(gòu)層間變形。防屈曲鋼板剪力墻和屈曲約束支撐現(xiàn)場安裝如圖14所示。

圖13 減震裝置對結(jié)構(gòu)層間位移角的影響

圖14 減震裝置現(xiàn)場安裝

4 結(jié)語

基于深圳市長圳公共住房項(xiàng)目6號(hào)住宅樓的實(shí)際需求，對住宅樓結(jié)構(gòu)體系中主次結(jié)構(gòu)間的連接方式及減震裝置應(yīng)用對結(jié)構(gòu)抗震性能影響進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論。

1)次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)采用底部連接、底部+側(cè)面連接、底部+頂部連接及主結(jié)構(gòu)單體4種全框架形式均可滿足結(jié)構(gòu)受力性能要求；其中，次結(jié)構(gòu)采用底部+頂部與主結(jié)構(gòu)連接方案，可減少建筑外圍護(hù)開洞，更便于工程施工，為全框架形式中最優(yōu)連接方案。

2)半框架與全框架2種形式的主結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)相差不大，由于半框架形式中次結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量大幅度減少，結(jié)構(gòu)整體用鋼量減少23.4%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)采用鉸接連接，可大量減少施工現(xiàn)場的焊接作業(yè)量，建造過程更加綠色、環(huán)保，順應(yīng)了建筑工業(yè)化發(fā)展方向。

3)在罕遇和極罕遇地震作用下，屈曲約束支撐和防屈曲鋼板剪力墻的應(yīng)用，增大了結(jié)構(gòu)耗能能力，減少地震作用，降低了主體結(jié)構(gòu)損傷程度，可顯著提升主次結(jié)構(gòu)的抗震性能。