復(fù)雜支撐大跨度結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究

蘇 駿（華東建筑設(shè)計研究院有限公司， 上海 200002）

隨著我國經(jīng)濟快速增長，文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，重點城市開始興建滿足當前文化傳播需求的演藝類場館[1]。因建筑功能需求，演藝類場館需要有大空間、高低錯落的觀眾座席及大量的功能用房，造成演藝類場館的結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜[2]，一般存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、構(gòu)件不連續(xù)、承載力突變、樓板大開洞等超限問題。這亦是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點之一。同時大空間造成屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大，需要同時控制屋蓋撓度和支座處的水平推力，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一難點。

演藝類場館人員量大，按 GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》規(guī)定為重點設(shè)防類建筑，因此對其抗震性能要求較高。在多遇地震作用下彈性分析的基礎(chǔ)上，一般需要進行罕遇地震作用下的彈塑性分析，從而對結(jié)構(gòu)抗震性能有更加全面的判斷。

罕遇地震作用下的抗震性能分析需要考慮結(jié)構(gòu)動力非線性響應(yīng)，目前常采用動力彈塑性時程分析方法[3-4]。動力彈塑性時程分析方法可以同時考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，給出結(jié)構(gòu)在地震作用中不同時刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)展、塑性損傷狀況等。

1 建筑概況

江蘇某文化創(chuàng)意園的多功能演播廳位于江蘇省南京市仙林區(qū)，地下 2 F，地上 6 F，屋面標高為 32.8 m，水平投影尺寸為 128.0 m×100.0 m。項目基本抗震設(shè)防烈度為 7度，設(shè)計地震分組為第一組，Ⅱ 類場地，罕遇地震下的特征周期為 0.4 s。

根據(jù)建筑功能的需要，平面中央?yún)^(qū)域為演出舞臺區(qū)，沿舞臺四周樓層布置看臺，結(jié)構(gòu)呈環(huán)狀布置，中央舞臺演出區(qū)頂部采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。典型樓層平面和建筑剖面如圖1 所示。

2 結(jié)構(gòu)體系

演播廳下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。鋼屋蓋采用點式支承的雙向桁架結(jié)構(gòu)體系，橫向跨度為 81.0 m，縱向跨度為 99.0 m，如圖 2 所示。

鋼屋蓋的桁架形狀為梯形，中間區(qū)域桁架跨中高度為5.3 m，跨高比約為 15。鋼屋蓋下弦通過球型鋼支座支承在36 根型鋼混凝土框架柱上，其連接節(jié)點如圖 3 所示。

結(jié)構(gòu)典型剖面如圖 4 所示。鋼屋蓋在支座處產(chǎn)生的水平推力由外側(cè)水平框架梁受壓和內(nèi)側(cè)看臺斜梁受拉共同承擔(dān)，并傳遞至內(nèi)外側(cè)框架柱上，使得內(nèi)側(cè)框架柱受拉，外側(cè)框架柱受壓。

為提高結(jié)構(gòu)抗扭能力，在結(jié)構(gòu)四周樓梯間處布置了鋼支撐，與鋼支撐相連的周邊框架內(nèi)設(shè)置有型鋼?；诮ㄖ⒚嫘Ч凸δ懿贾眯枰?，沿建筑外輪廓布置 20 根躍層斜柱，豎向傾角 ≤15°；內(nèi)部布置有一圈看臺斜梁，如圖 5 所示。

圖 1 建筑平剖面圖

圖 2 演播廳結(jié)構(gòu)三維模型

圖 3 鋼屋蓋與框架柱連接示意

圖 4 結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖 5 特殊構(gòu)件布置

以 JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》為依據(jù)，結(jié)合抗震設(shè)防類別（乙類）、設(shè)防烈度（7 度）、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費用、結(jié)構(gòu)特點、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標為 C 級，罕遇地震下結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標見表 1。

表 1 罕遇地震下結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標

3 分析方法

考慮鋼屋蓋的施工加載過程，運用 Abaqus 軟件，采用動力彈塑性時程分析方法對結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能進行分析。

3.1 模型參數(shù)

在動力彈塑性時程分析中，梁、柱、支撐和桁架桿件均采用纖維梁單元進行模擬，考慮剪切變形和大應(yīng)變[5]。混凝土材料采用彈塑性損傷本構(gòu)模型，在地震反復(fù)荷載作用下，當混凝土材料進入塑性狀態(tài)后，其拉、壓剛度降低通過拉、壓損傷系數(shù)進行描述。鋼材和鋼筋采用二折線動力硬化本構(gòu)模型，并考慮反復(fù)荷載作用下的鋼材包辛格效應(yīng)。采用基于中心差分法的顯式積分方法進行求解，保證計算過程的收斂性。

3.2 動力特性對比

Abaqus、YJK 兩種軟件計算的前三階周期見表 2，兩種軟件計算得到的結(jié)構(gòu)動力特性基本一致，說明彈塑性分析模型與彈性設(shè)計模型保持一致。

表 2 結(jié)構(gòu)周期對比

3.3 鋼屋蓋施工加載

由于鋼屋蓋在自重下產(chǎn)生較大水平推力，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大內(nèi)力，因此在實際施工中對鋼屋蓋自重下的水平推力進行釋放。鋼屋蓋自重釋放與否的水平推力和位移對比見表 3，柱編號見圖 6。

表 3 水平推力和位移對比

圖 6 支撐鋼屋蓋柱編號

在分析中考慮了施工加載過程，即首先釋放鋼屋蓋支座水平位移，僅施加豎向約束，施加鋼屋蓋自重，得鋼屋蓋弦桿軸力見圖 7。再約束鋼屋蓋支座水平位移，施加鋼屋蓋附加恒載。

圖 7 鋼屋蓋自重作用下桁架內(nèi)力

3.4 地震波選用

根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，本項目在罕遇地震分析中采用 5 組天然波和 2 組人工地震波。所選7 組地震波的最大峰值均為 220 gal，有效時長均滿足結(jié)構(gòu)第 1 周期 5～10 倍的要求，水平主、水平次、豎向輸入地震波峰值比為 1∶0.85∶0.65。

所選 7 組地震波的彈性時程分析基底剪力與 CQC 結(jié)果對比見表 4，每組地震波的基底剪力平均值＞CQC 的 65%且＜135%。7 組地震波的基底剪力平均值＞CQC 的 80% 并＜120%。地震波平均譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比如圖 8 所示。典型結(jié)構(gòu)周期下的譜值相差 ＜ 20%，滿足 GB 50011—2010要求。

表 4 地震波與 CQC 的結(jié)構(gòu)基底剪力對比

圖 8 地震波平均譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

4 抗震性能分析

4.1 整體性能分析

罕遇地震彈塑性分析中，7 組地震波作用下結(jié)構(gòu)在 X、Y 兩個主方向基底剪力平均值分別為 160 143 kN 和 148 000 kN，對應(yīng)的剪重比分別為 20.1% 和 18.6%，均為罕遇彈性分析結(jié)果平均值的 0.79，見表 5。

表 5 彈性與彈塑性基底剪力對比

每組地震波作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角及其對應(yīng)的樓層號如表 6 所示。結(jié)構(gòu)在X、Y方向的層間位移角平均值的最大值分別為 1/178、1/155，均位于 6 層，滿足層間位移角≤1/50 的限值要求。

表 6 每組地震波對應(yīng)的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角最大值

4.2 構(gòu)件性能分析

在施工步階段，屋蓋的施工順序如下。將屋蓋和周邊柱子連接，釋放屋蓋水平自由度，先施加自重，當屋蓋在自重作用下完成變形后，再約束屋蓋的水平自由度，繼續(xù)施加附加恒載和 0.5 倍活載。在該工況下（輸入地震作用前），屋蓋的X向最大變形為 3.20 cm，Y向最大變形為4.66 cm，Z向最大變形為 32.57 cm，鋼屋蓋處于彈性階段，如圖 9 所示。

圖 9 鋼屋蓋變形

罕遇地震作用下少數(shù)躍層斜柱中混凝土發(fā)生輕微受壓損傷，柱內(nèi)鋼筋進入輕微塑性，柱內(nèi)型鋼均未進入塑性，躍層斜柱總體處于輕微損壞，如圖 10 所示。

圖 10 躍層斜柱

看臺斜梁及相連柱的混凝土無受壓損傷，3～4 層少數(shù)幾根斜梁內(nèi)鋼筋和型鋼產(chǎn)生輕度受拉損壞，其余構(gòu)件無損壞或輕微損壞，如圖 11 所示。

圖 11 看臺斜梁及相連柱損傷情況

鋼支撐均未進入塑性，與鋼支撐相連框架中的鋼筋也未進入塑性，抗震性能良好。部分支撐屋蓋的框架柱頂部混凝土發(fā)生輕微受壓損傷，柱內(nèi)鋼筋進入輕微塑性，柱內(nèi)型鋼均未進入塑性，總體抗震性能良好，如圖 12 所示。

圖 12 支撐屋蓋的型鋼柱

在罕遇地震作用下，X、Y方向主桁架在跨中的部分弦桿發(fā)生輕微塑性損傷，如圖 13 所示，鋼屋蓋整體抗震性能良好。

圖 13 鋼屋蓋塑性應(yīng)變

部分混凝土框架柱的柱頂混凝土發(fā)生輕度受壓損傷，柱內(nèi)鋼筋進入輕微塑性，柱內(nèi)型鋼均未進入塑性；少數(shù)框架梁中混凝土進入輕微受壓損傷，梁中鋼筋進入輕微塑性；框架柱和框架梁總體抗震性能均良好。樓板受拉開裂明顯，受壓損傷較輕，板內(nèi)鋼筋進入塑性，但塑性發(fā)展水平不高，樓板總體仍具有較好的承擔(dān)豎向荷載和傳遞水平地震的能力。

5 結(jié) 語

采用彈塑性動力時程分析方法，對此多功能演播廳項目進行了抗震性能分析研究，基本結(jié)論如下。

（1）鋼屋蓋對下部結(jié)構(gòu)的水平推力較大，通過支座處水平約束后施加，消除了屋蓋自重下的水平推力，降低了對下部結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響。

（2）7 組地震波作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角平均值均＜1/50，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。躍層斜柱、看臺斜梁以及支撐屋蓋框架柱均處于輕微損傷水平，鋼支撐未進入塑性，其余框架處于輕度及以下?lián)p傷，滿足結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標。

（3）鋼屋蓋在罕遇地震作用下，僅中部上下弦位置有少量桿件進入輕微塑性，整體抗震性能良好。

本項目的抗震性能研究，可為其他類似項目提供設(shè)計參考。