超限連體結構的性能化設計
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摘要:近年來，隨著建筑功能的日新月異和建筑立面的需求多樣化，連體結構被越來越多的工程運用，連體的連接形式也越來越多樣化。結合具體工程實例，對一超限連體結構工程的性能化設計進行了探討，并對其結構計算要點進行了分析，最終得出了一些有意義的結論。
關鍵詞:連體結構;超限結構;性能化設計
1工程概況
本項目位于福建省寧德市，項目總建筑面積約54000m2，其中地上建筑面積約45000m2，地下建筑面積約8600m2。建筑立面圖見圖1。本項目下部為一層整體大地下室(層高5．5m)，主要功能為停車及食堂加工區(qū)，部分區(qū)域戰(zhàn)時為人防單元。上部各單體均以地下室頂板面為嵌固端。地上建筑部分由南側12層的主樓(裙房3層)及北側3層的附樓組成。其中主樓的主要功能有辦公、宣傳、培訓、檔案、倒班宿舍等，附樓的主要功能為職工食堂。主樓建筑高度52．2m，附樓建筑高度13．5m。連體主樓地上共12層，總高52．2m(底層層高6．0m，三層層高4．5m，其余標準層層高4．2m)，主要功能為辦公、培訓、技術用房等。1層～9層為東西兩個單體塔樓，并在10層～12層通過四榀桁架(北側兩榀跨度為26．6m、南側兩榀跨度為42．8m)形成的連接體連結在一起(兩單體塔樓形體對稱，動力特性接近，為連體創(chuàng)造良好的條件)［1］。整體結構采用混凝土框架－剪力墻結構，全現(xiàn)澆混凝土梁板體系，剪力墻主要集中布置在結構的端部及連接體兩側［2］。
2結構體系
連體結構按連接方式的不同可以分為兩大類:強連接和弱連接。《高規(guī)》中提出:連體結構與主體結構宜采用剛性連接，是由于連體結構的連體部位受力復雜，連體部分的跨度也一般較大，采用剛性連接在結構分析和構造上更容易把握。而當兩側塔樓的結構動力特性存在較大差異時，如采用強連接，則難以協(xié)調連接體兩側塔樓的整體受力和變形。此時可采用弱連接，如:采用隔震支座+黏滯阻尼器。當采用弱連接時需要注意的是支座滑移量需滿足大震情況下的位移要求，采取防墜落措施。本項目由于兩單體塔樓形體對稱，動力特性接近，優(yōu)先考慮采用強連接的方式。連接體部分與主樓采用剛性連接，具體為連接體部分的底部兩層采用鋼桁架形式，且鋼骨伸入兩側主樓內各一跨并可靠連接(即兩側主樓內一跨采用鋼骨混凝土梁，兩側主樓內連體處邊柱采用型鋼柱)，連體部分的上部二層為鋼框架。為保證連接體部位結構內力的有效傳遞，加強整體性，連接體范圍內樓板均進行了加強，連體桁架下弦樓板及屋頂層樓板加至180厚，其余樓層加至150厚;同時連接體兩側主樓內一跨的樓板在連體高度及其下一層加強為150厚。底部三層裙房為兩個高層單體的大底盤，產生豎向體型收進。裙房屋面樓板加厚至150mm，且體型突變部位上、下層樓板也加厚至最小120mm。連體桁架南側兩榀剖面示意圖見圖2，桁架參數(shù)見表1。
本項目屬于體型特別不規(guī)則性高層建筑，根據(jù)性能化抗震設計的概念，綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素，抗震性能目標選用“C”，即多遇地震下結構達到性能水準“1”的要求，設防烈度地震下達到性能水準“3”的要求，預估罕遇地震下達到性能水準“4”的要求，詳見圖3。本工程擬采用的不同地震烈度水準下的具體性能設計指標，見圖4。
2．2針對超限的措施
根據(jù)本項目的具體特點，本工程主要采取以下措施來進行抗震加強:1)計算措施。采用YJK和MidasBuilding兩個結構軟件對小震下計算結果進行分析比對，并以彈性時程分析作為補充驗算;采用YJK軟件進行中震、大震下的性能設計，保證關鍵構件能達到預期性能目標;采用PKPM-Sausage軟件進行彈塑性動力時程分析，復核結構彈塑性層間位移，判斷結構的薄弱部位、結構構件的損傷程度，對關鍵部位和關鍵構件進行有針對性的加強，確保大震2)連體部位的加強措施。a．連接體采用剛性連接，為保證剛性連接，在連接體兩端及其內伸主體一跨位置設置型鋼混凝土柱，型鋼柱間用型鋼梁連接;同時桁架弦桿加大截面，與型鋼柱剛接;連接體兩側的主樓內布置了剪力墻，用以控制連接體兩側的位移和變形，并承受連接體樓板傳遞的水平地震力;將連接體鋼桁架及與其相連的型鋼柱、剪力墻設為關鍵構件，抗震等級提高一級進行加強，型鋼柱在連接體高度范圍及其上、下層，箍筋全柱段加密配置，軸壓比限值按其他樓層框架柱的數(shù)值減小0．05采用;與連接體相連的剪力墻在連接體高度范圍及其上、下層設置約束邊緣構件。b．小震、中震計算中指定連接體樓板為彈性板，進行樓板應力分析，并采取措施加強樓板(樓板加厚、配筋加強);同時加強連接體兩側主樓內一跨的樓板(增加板厚、加強配筋);大震下連接體樓板按“零板厚”，以考慮樓板失效對連接體鋼構件的影響，對連體桁架及周邊關鍵構件進行驗算。3)豎向構件收進的加強措施。a．加強突變層的樓板厚度和配筋。裙房頂板厚加大至150mm，配筋率不小于0．25%，并在計算中按彈性板復核樓板應力。b．上下層結構樓板也適當加強構造措施，樓板厚度不小于120mm，配筋率不小于0．25%。c．體型收進部位上下各兩層塔樓周邊豎向構件的抗震等級提高一級，并加強收進部位以下二層的周邊豎向構件配筋和軸壓比控制。2．3抗震等級調整部位抗震等級調整部位見表2。
3結構計算要點
3．1樓板應力分析《高規(guī)》5．1．5條要求，當樓板可能產生較明顯的面內變形時，計算時應考慮樓板面內變形影響。本項目10層～12層存在連體，連體部位的樓板受力相當復雜:1)兩個單體塔樓間的水平地震力需通過連體部位進行傳遞;2)由于連體跨度大(42m)，考慮豎向地震作用。因此在YJK軟件計算中，對連體所在層樓板指定為彈性板6，以便對樓板應力進行分析。該單元既有面內剛度又有面外剛度，且采用有限元計算彈性板荷載，同時考慮梁與彈性板變形協(xié)調，此時彈性樓板的配筋不僅考慮彎矩的作用，還考慮板單元受到的拉力或壓力的作用，按壓彎或拉彎構件分析，從而提高了精確性。圖5為十層底板在地震工況下的樓板應力。
3．2剪力墻墻肢的偏心受拉驗算
根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》第十二條第四款，“中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設置型鋼承擔拉力，且平均名義拉應力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標準值(可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用)，全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2．5%時可按比例適當放松。”本工程剪力墻全截面受拉主要是地震作用下的樓層彎矩所引起，因此底部加強區(qū)的剪力墻，尤其是結構邊、角部的剪力墻全截面平均拉應力會較大，考慮到底部二層所有剪力墻的截面、配筋完全相同，但二層的軸向拉力明顯小于底層的軸向拉力，所以本次只驗算底層剪力墻墻肢的全截面名義拉應力。用盈建科軟件進行偏拉驗算，剪力墻未輸出數(shù)值則代表在中震下該剪力墻仍受壓，不需驗算其偏拉。所輸出的底層各墻肢的數(shù)據(jù)依次為:ftk與比值、軸向拉力、強編號，經計算，地震引起的拉應力最大平均拉應力為1．86MPa，小于混凝土抗拉強度標準值(C30(最小)，ftk=2．01MPa)，滿足中震下的關鍵構件的承載力驗算要求。
3．3大震性能設計
罕遇地震作用下，按大震不屈服的要求，對關鍵構件進行驗算。大震計算時，在結構總信息中選擇不計算風荷載，地震影響系數(shù)最大值取為0．28，周期折減系數(shù)取1．0，連梁剛度折減系數(shù)取0．3，阻尼比取0．06，與抗震等級相關的內力調整系數(shù)程序已自動設為1。在盈建科軟件中性能設計菜單中勾選“大震”“性能設計(高規(guī))”“性能水準4”。用該計算結果來驗算關鍵構件是否達到預設的抗震性能目標。此外，考慮到大震時連接體部位的樓板可能破壞失效，按最不利情況，在模型中將連接體部位的樓板板厚均設為0，將樓板自重加入到恒載中進行分析，此時，樓板沒有剛度，僅起到導算荷載的作用。3．4樓層板舒適度驗算根據(jù)規(guī)范要求，樓蓋結構應具有適宜的舒適度，樓蓋的豎向振動頻率不宜小于3Hz。用YJK軟件，采用迭代Ｒitz向量法，通過有限元計算分析各樓層樓板自振頻率，得到各樓層豎向振動頻率值如表3所示，可見均滿足規(guī)范要求。從樓板振型圖可見，樓層振動主要集中在連接體樓板處。故單獨對該處樓板進行適度驗算。根據(jù)《高規(guī)》附錄A，本次采用時程分析法計算樓蓋結構的豎向振動加速度。本工程連接體區(qū)域樓蓋采用鋼－混凝土組合樓蓋，建筑功能主要為活動室，根據(jù)《高規(guī)》附錄A，參照室內人行天橋取值，樓蓋結構阻尼比取為0．02，人員行走作用力取0．42kN。計算時取連續(xù)步行荷載時程曲線如圖6所示。樓蓋采用彈性板，按有限元劃分，加載2條荷載軌跡線，如圖7所示。工況1模擬人沿走廊從連接體一端走向另一端，計算所得的樓蓋豎向振動加速度包絡圖如圖8所示。由圖6可知，樓蓋最大加速度為0．115m/s2，小于《高規(guī)》3．7．7條中的峰值加速度限值0．15m/s2，滿足要求。
4結論
1)YJK和MidasBuilding兩種不同計算內核的結構設計軟件計算結果基本一致，表明計算模型符合實際工作狀況，計算結果合理有效，可作為工程設計的依據(jù)。結構整體彈性分析結果表明，結構主要計算指標，包括剪重比、剛重比、周期比、位移比、層間位移角等均滿足規(guī)范要求。多遇地震下各構件均能滿足彈性設計要求，構件截面取值合理，結構體系選擇恰當。2)彈性時程計算所選用的地震波與規(guī)范反應譜“在統(tǒng)計意義上相符”，底部剪力滿足規(guī)范相關要求。計算結果表明，反應譜法計算的結果僅在出屋面層需乘以放大系數(shù)1．02。3)設防烈度地震作用下，結構的最大層間位移角小于預設的1/400限值目標，說明結構整體剛度較為適宜;設防烈度地震作用下，連體部位的鋼構件應力比均小于1．0，可認為均處于彈性狀態(tài)，符合預定的抗震性能目標;采用YJK軟件對結構在設防烈度下進行不同性能水準的計算分析，并將配筋結果與多遇地震下的配筋結果取包絡值進行設計，可以實現(xiàn)不同構件預定的抗震性能目標。4)罕遇地震作用下，結構彈塑性層間位移角小于規(guī)范限值1/100，結構整體剛度較大，高于預期性能目標;罕遇地震作用下，結構塑性變形發(fā)展的順序是:樓面梁→剪力墻→框架柱，結構整體損傷程度不重，大部分構件為輕微～輕度損傷，連接體鋼桁架無損傷。各構件的損傷情況符合預先設定的抗震性能目標。綜上所述，本結構設計合理，能夠滿足規(guī)范要求，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。
參考文獻:
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作者:王宇軒 戴琳 陳培威 單位:浙江大學建筑設計研究院有限公司 漢嘉設計集團股份有限公司
