成都天府國際機(jī)場綜合換乘中心北區(qū)抗震性能分析

黃 沖，楊孟根，肖秀榮，陳國平，蘇 亮

(1. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；2. 浙江科技學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310023；3. 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058)

1 工程概況

成都天府國際機(jī)場坐落于簡陽市蘆葭鎮(zhèn)，位于成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)軸線方向，緊鄰四川天府新區(qū)，天府機(jī)場主要包括綜合換乘中心(GTC)、T1和T2航站樓等三座主體建筑，圖1為天府機(jī)場建筑效果圖。天府國際機(jī)場綜合換乘中心(GTC)位于成都天府國際機(jī)場T1和T2航站樓之間，分為南區(qū)與北區(qū)兩個(gè)子項(xiàng)(圖2)。綜合換乘中心(GTC)由地鐵、城鐵交通換乘大廳、商業(yè)、機(jī)動(dòng)車庫、長途客運(yùn)站候車廳、出租車站臺(tái)、公交站臺(tái)及業(yè)務(wù)配套用房等部分組成，屋頂層混凝土屋面部分主要為種植屋面，均為不上人屋面。

圖1 天府機(jī)場建筑效果

圖2 天府機(jī)場主要建筑平面示意

本文以北區(qū)為分析對(duì)象。綜合換乘中心(GTC)北區(qū)主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上共一層，局部設(shè)3層夾層，屋蓋中部為76.5 m跨拱形鋼網(wǎng)架。標(biāo)高為自南向北15.100～11.100 m遞減，坡度2 %。平面尺寸約205 m×113 m，建筑面積32 200 m2。主要柱網(wǎng)尺寸有9 m×9 m、14.85 m×18 m和18 m×23.65 m(圖3)。

圖3 9m×9m跨度(單位:mm)

綜合換乘中心北區(qū)抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第二組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.4s，按8度采取抗震措施?；撅L(fēng)壓：W0=0.30kN/m2(考慮50 a重現(xiàn)期風(fēng)壓)，地面粗糙度：B類。

2 結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑的高度、層數(shù)、使用功能、抗震設(shè)防類別和設(shè)防烈度等因素綜合考慮確定，GTC北區(qū)主體均采用全現(xiàn)澆的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系?？箓?cè)力體系由框架梁柱組成，結(jié)構(gòu)中框架梁均拉通、對(duì)直，框架柱多數(shù)縱橫、上下對(duì)齊，梁柱節(jié)點(diǎn)剛接，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，能夠有效地抵抗地震作用，且保證有充分的延性。另外，為了提高GTC北區(qū)在小震階段的抗側(cè)剛度，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)在中、大震下的耗能能力，減輕在大震下主體結(jié)構(gòu)的損傷，在其主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置若干屈曲約束支撐。

根據(jù)建筑平面的柱網(wǎng)尺寸、使用要求和荷載分布情況，綜合換乘中心各樓層的次梁布置均采用了雙向井字梁布置的方式，其典型梁板布置形式如圖3所示。荷載傳力途徑為：樓板→次梁→主梁→柱→基礎(chǔ)，傳力過程簡潔清晰，無傳力途徑不清晰的情況。

該工程屬于多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，參照GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《抗規(guī)》)以及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，GTC北區(qū)存在混合結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土、型鋼混凝土和鋼)；扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(扭轉(zhuǎn)位移比>1.2)；局部不規(guī)則(局部夾層、穿層柱)等平面和豎向的不規(guī)則項(xiàng)目。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能計(jì)算分析

為了保證分析結(jié)果的可靠性，分別采用SATWE 和MIDAS 兩種軟件進(jìn)行建模比較分析。圖4為計(jì)算模型圖，圖5～圖7為夾層平面圖。

圖4 GTC計(jì)算模型(MIDAS GEN)

標(biāo)高4.0 m處夾層沿GTC北區(qū)東西兩側(cè)對(duì)稱布置，一側(cè)的平面尺寸為108 m×11.2 m，距離GTC北區(qū)南側(cè)42 m，同時(shí)沿GTC北區(qū)南側(cè)中部布置30.3 m×6.0 m的夾層，見圖5。

圖5 4.0m處夾層平面

圖6 5.5m處夾層平面

圖7 8.0m處夾層平面

標(biāo)高5.0處夾層布置在GTC北區(qū)東北角及西北角，沿東西兩側(cè)對(duì)稱布置，一側(cè)的平面尺寸為54.0 m×18.0 m，見圖6。

標(biāo)高8.0 m處夾層沿GTC北區(qū)東、南、西三側(cè)對(duì)稱布置，東西兩側(cè)夾層對(duì)稱，一側(cè)的平面尺寸為162 m×11.2 m，南側(cè)夾層平面尺寸113 m×8.65 m，見圖7。

屋蓋中部為76.5 m跨拱形鋼網(wǎng)架，見圖8。

圖8 屋蓋平面

3.1 多遇地震彈性分析

SATWE和Midas Gen計(jì)算結(jié)果見表1。兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，表明計(jì)算無誤，結(jié)果可信。計(jì)算總質(zhì)量相差0.3 %，對(duì)兩個(gè)軟件的自振周期和振型結(jié)果對(duì)比，兩者較為接近，振型周期最大相差不超過0.01 s，由此可以認(rèn)為，二者計(jì)算的結(jié)構(gòu)總重量、振動(dòng)模態(tài)和周期基本一致。結(jié)構(gòu)的第一振型為Y向平動(dòng)，第二振型為X向平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)。計(jì)算振型個(gè)數(shù)為12，兩個(gè)軟件X、Y向有效質(zhì)量系數(shù)均大于90 %，周期比小于0.9，均滿足規(guī)范要求。

SATWE和Midas Gen算得的各樓層剪重比接近，根據(jù)《抗規(guī)》5.2.5條規(guī)定[1]，7度(0.10g)設(shè)防地區(qū)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，樓層剪重比不應(yīng)小于1.6 %，各層的剪重比均大于規(guī)范限值。

根據(jù)《抗規(guī)》，框架結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比的限值為1/550，地震作用下的位移角滿足要求。

兩個(gè)主方向的剛重比均大于10，能夠通過JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的整體穩(wěn)定驗(yàn)算[2]；最小剛重比Di×Hi/Gi不小于20,可以不考慮重力二階效應(yīng)。

采用5條天然波和2條人工波進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析，并與規(guī)范反應(yīng)譜分析結(jié)果進(jìn)行了比較，進(jìn)一步驗(yàn)證所選地震波的合理性。

表2和表3分給出了SATWE和MIDAS GEN計(jì)算出的時(shí)

表1 多遇地震彈性分析結(jié)果

表2 時(shí)程分析基底剪力(SATWE)

程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力的比較。由表可見，兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果相近：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65 %，不大于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的130 %。多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80 %，不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的120 %。從而說明時(shí)程波的選取是合適的，滿足規(guī)范要求。

3.2 設(shè)防地震作用分析

設(shè)防地震作用下，依據(jù)規(guī)范取水平地震影響系數(shù)最大值0.23，地震加速度時(shí)程曲線最大值100 cm/s2。計(jì)算結(jié)果見表4，將其結(jié)果與多遇地震作用下的結(jié)果進(jìn)行比較，設(shè)防地震

表3 時(shí)程分析基底剪力(MIDAS GEN)

作用下基底總剪力約為多遇地震作用下基底總剪力的2.8倍，最大層間位移角約為多遇地震量值的2.8倍，說明在設(shè)防地震下該結(jié)構(gòu)還處于彈性范圍[3]。

表4 設(shè)防地震彈性分析結(jié)果

此外，同樣選取5條天然波和2條人工波進(jìn)行設(shè)防地震作用下的彈性時(shí)程分析，并與規(guī)范反應(yīng)譜分析結(jié)果進(jìn)行了比較，為節(jié)省篇幅，在此不一一展開，兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果相近，且滿足規(guī)范要求。

3.3 罕遇地震靜力彈塑性分析

利用SATWE對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，所得能力譜需求譜曲線見圖9和圖10。

圖9 能力曲線和需求曲線(X方向)

圖10 能力曲線和需求曲線(Y方向)

由圖可知，X方向的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)第25個(gè)加載步，相應(yīng)性能的基底剪力為153 695 kN，性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為1/260。Y方向的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)第24個(gè)加載步，相應(yīng)性能的基底剪力為146 667 kN，性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為1/250。X、Y向的最大層間位移角均小于1/50，滿足規(guī)范要求。MIDAS的計(jì)算結(jié)果相類似。

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在7度多遇地震作用下無屈服情況出現(xiàn)，符合小震不壞的抗震設(shè)防要求。7度基本烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，主要受力構(gòu)件轉(zhuǎn)換柱及桁架均處于彈性狀態(tài)。罕遇地震作用下，部分構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入屈服，開始形成結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制，耗散了部分地震輸入能量。塑性鉸有所增加，但大多處于屈服狀態(tài)，且大部分鉸分配到梁端，符合“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計(jì)原則。

4 抗震加強(qiáng)措施

綜合換乘中心北區(qū)的整體計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范各項(xiàng)要求，具有較好的剛度和強(qiáng)度，抗震性能較好，針對(duì)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性特點(diǎn)和具體情況，提出了以下加強(qiáng)措施，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。

(1)柱：對(duì)立面收進(jìn)部位加強(qiáng)柱墻配筋，加強(qiáng)外圍柱配筋。

(2)梁：加強(qiáng)環(huán)形框架梁縱筋，增設(shè)抗扭縱筋；在跨度不小于18 m的框架梁內(nèi)設(shè)置曲線預(yù)應(yīng)力筋，以提高承載能力和滿足正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

(3)樓板：設(shè)置若干溫度后澆帶，沿平面每邊邊長方向配筋通長，加強(qiáng)內(nèi)外角部樓板配筋，對(duì)于樓板應(yīng)力集中且較大的部位加大配筋。

5 結(jié)論

本文利用SATWE和MIDAS GEN兩個(gè)軟件對(duì)綜合換乘中心北區(qū)進(jìn)行了多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震作用下的抗震性能分析，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

綜合換乘中心北區(qū)結(jié)構(gòu)雖然為混合結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土、型鋼混凝土和鋼)，但經(jīng)過對(duì)其在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下的分析，各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，抗震性能良好。

雖然結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，但計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)周期比小于規(guī)范規(guī)定的限值0.9，說明結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的能力符合要求。

結(jié)構(gòu)局部夾層導(dǎo)致主框架柱形成短柱，在豎向被分割，柱的抗側(cè)剛度和分配的地震力顯著大于中庭越層柱，但計(jì)算出的剪重比、層間位移角、最大位移比等均符合要求，以上說明綜合換乘中心的抗震性能良好。