上海某裝配整體式高層建筑方案比選

劉文燕 耿耀明

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海 200444; 2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

0 引 言

裝配式建筑是建筑行業(yè)生產(chǎn)方式的一次變革,對(duì)建筑業(yè)節(jié)能減排和轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。2016年2月6日中共中央國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》,提出“發(fā)展新型建造方式,大力推廣裝配式建筑,減少建筑垃圾和揚(yáng)塵污染,縮短建造工期,提升工程質(zhì)量。力爭(zhēng)用10年左右時(shí)間,使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%。”裝配式建筑的發(fā)展迎來了歷史良機(jī)。

上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)H36-02地塊項(xiàng)目西1樓采用裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)[1],預(yù)制率不低于45%。在滿足高預(yù)制率的前提下,本文對(duì)其結(jié)構(gòu)體系的選擇進(jìn)行了多方案的比選,得出不同結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益上的優(yōu)缺點(diǎn),最終采用了設(shè)置粘滯阻尼器的裝配整體式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),可為類似工程的結(jié)構(gòu)方案選擇提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

該工程總建筑面積19 657.3 m2,地下1層,地上11層(含1層小屋面),標(biāo)準(zhǔn)層高4.2 m,建筑總高度44.4 m。標(biāo)準(zhǔn)層平面詳見圖1。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,場(chǎng)地類別為上海Ⅳ類,場(chǎng)地特征周期為0.90 s。基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2,地面粗糙度B類。

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖(單位:mm)Fig.1 Typical floor plan (Unit:mm)

2 方案比選

在方案設(shè)計(jì)階段共提出四個(gè)方案,分別為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土框架+防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架+非線性黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)。

2.1 方案1:鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻,形成靈活自由的使用空間,滿足不同建筑使用功能的要求,同時(shí)又有足夠的剪力墻,使得結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度抵抗水平荷載作用下產(chǎn)生的變形。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,技術(shù)成熟可靠,但其在本工程中的應(yīng)用具有如下缺點(diǎn):①由于本工程為裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014),框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻部分需要采用現(xiàn)澆[2],這使得結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆部分增加,不利于預(yù)制率的提高,且增加現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè);②外圈框架梁、柱截面增加不利于建筑效果和使用,同時(shí)增加建筑材料用量,不利于運(yùn)輸和施工的吊裝作業(yè);③由于受建筑使用功能的限制,只能在樓、電梯間及設(shè)備用房周圍布置剪力墻,這使得結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心偏離更大,加重了結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

2.2 方案2:鋼筋混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)

混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)是通過在框架中適當(dāng)位置布置防屈曲約束支撐,形成框架-支撐結(jié)構(gòu)。

防屈曲約束支撐[3](BRB)由芯材、無(wú)粘結(jié)材料和外部約束材料組成,其中芯材是構(gòu)件中主要的受力構(gòu)件,由特定強(qiáng)度的鋼板制成,常用的截面形式有一字型、十字形和T形等;無(wú)粘結(jié)材料是在芯材與外部約束材料之間提供可滑動(dòng)的界面,防止芯材受壓膨脹后與約束材料之間產(chǎn)生摩擦力而造成軸壓力的大量增加;外部約束材料負(fù)責(zé)提供約束機(jī)制,使芯材在軸壓力作用下能受壓屈服,而不發(fā)生屈曲失穩(wěn),從而通過塑性變形消耗地震輸入的能量。多遇地震作用下,防屈曲約束支撐在彈性階段工作,只提供剛度,不屈服耗能;而在設(shè)防或罕遇地震作用下,可起到“保險(xiǎn)絲”的作用,首先屈服耗能,從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu),防屈曲約束支撐構(gòu)成如圖2所示。

采用鋼筋混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):①可以取消剪力墻,減少現(xiàn)澆部分,減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè),有利于預(yù)制率的提高;②可以減小外圍框架梁、柱的截面尺寸,有利于建筑效果和使用,有利于運(yùn)輸和施工的吊裝作業(yè),同時(shí)還可以減少建筑材料用量;③在設(shè)防或罕遇地震作用下,防屈曲約束支撐可以屈服耗能,從而有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。但是其也存在如下不足:①防屈曲約束支撐與框架結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造復(fù)雜,與支撐相連的框架梁、柱需要加強(qiáng)并進(jìn)行性能設(shè)計(jì);②多遇地震作用下,支撐僅提供剛度,不耗能;③支撐部分占結(jié)構(gòu)總傾覆力矩偏低,不能滿足《上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》(DGJ 08-9—2013)中“底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應(yīng)大于50%”的要求[4]。

圖2 防屈曲約束支撐的構(gòu)成Fig.2 Buckling-restrained brace

2.3 方案3:鋼筋混凝土框架+防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+防屈曲鋼板墻是在框架中適當(dāng)位置布置防屈曲鋼板墻,既能提供抗側(cè)剛度,又能通過發(fā)生塑性變形耗能來提供附加阻尼比。

防屈曲鋼板墻(BRW)的基本原理和構(gòu)造與防屈曲約束支撐相似[5],由承受水平荷載的芯板、無(wú)粘結(jié)材料以及防止芯板發(fā)生面外屈曲的面外約束部件組成,其基本組成如圖3所示。面外約束部件對(duì)鋼芯板提供側(cè)向約束,使鋼芯板的屈曲臨界荷載大于其抗剪屈服承載力,則鋼板墻不會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn),只發(fā)生剪切屈服,以實(shí)現(xiàn)通過塑性變形消耗地震輸入的能量。

圖3 防屈曲鋼板墻的基本組成Fig.3 Buckling-restrained steel plate wall

在框架結(jié)構(gòu)中布置防屈曲鋼板墻與采用防屈曲約束支撐具有相同的優(yōu)點(diǎn),但又有其特色。與防屈曲約束支撐相比,防屈曲鋼板墻對(duì)結(jié)構(gòu)附加的剛度小,耗能能力更強(qiáng),而且防屈曲鋼板墻還可以通過控制芯板鋼材的屈服強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)不同的使用功能。芯板采用低屈服點(diǎn)軟鋼時(shí),防屈曲鋼板墻在多遇地震作用下就能屈服耗能,為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比;芯板采用普通鋼材設(shè)計(jì)時(shí),防屈曲鋼板墻則和防屈曲約束支撐一樣,在多遇地震作用下保持為彈性充當(dāng)抗側(cè)力構(gòu)件,而在設(shè)防地震或罕遇地震作用下屈服耗能,作為第一道防線保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。同時(shí),采用防屈曲鋼板墻也不會(huì)受規(guī)范對(duì)地震傾覆力矩的限制,更能適應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)。

2.4 方案4:鋼筋混凝土框架+黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)

黏滯流體阻尼器(VFD)是一種以黏滯流體材料為阻尼介質(zhì)的速度型耗能減震裝置,其一般由缸筒、活塞、阻尼通道、阻尼介質(zhì)(黏滯流體)和導(dǎo)桿等部分組成,活塞上可以開適量的小孔作為阻尼孔,或是在活塞和油缸內(nèi)壁之間留有一定的間隙。當(dāng)活塞與缸筒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),活塞前后之間的壓力差使黏滯流體材料穿過阻尼孔或間隙,從而產(chǎn)生阻尼,其能量的耗散是由黏滯流體與缸壁之間的黏性摩擦以及穿過阻尼孔或間隙時(shí)黏滯流體內(nèi)部的內(nèi)摩擦來實(shí)現(xiàn)的[6-7]。對(duì)于黏滯阻尼器,其阻尼力的計(jì)算公式如下[8]:

F=C|v|αsgn(v)

式中:F為黏滯阻尼器的阻尼力;C為黏滯阻尼器的阻尼系數(shù);α為黏滯阻尼器的阻尼指數(shù);v為黏滯阻尼器的速度。

非線性黏滯阻尼器的典型滯回曲線如圖4所示。

圖4 黏滯阻尼器典型滯回曲線Fig.4 Hysteresis curve of viscous fluid damper

在結(jié)構(gòu)中布置適量的黏滯阻尼器與采用其他消能減震裝置相同,可以減小構(gòu)件的截面尺寸,而且采用黏滯阻尼器一般不會(huì)給結(jié)構(gòu)增加額外的剛度,且在多遇地震作用下就能顯著耗能,減小結(jié)構(gòu)的地震剪力和位移角。但是,黏滯阻尼器在罕遇地震作用下的耗能作用會(huì)降低,而且根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013)要求“黏滯消能器在正常使用情況下一般10年或二次裝修時(shí)應(yīng)進(jìn)行目測(cè)檢測(cè),在達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限時(shí)應(yīng)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)。”黏滯阻尼器設(shè)計(jì)使用年限一般為30年,故使用30年后需進(jìn)行檢修。

2.5 方案對(duì)比情況匯總

各方案計(jì)算結(jié)果匯總對(duì)比如表1所示。

表1方案對(duì)比情況

Table 1 Comparison and Simulation of Schemes

注：方案1為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),方案2為鋼筋混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu),方案3為鋼筋混凝土框架+防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu),方案4為鋼筋混凝土框架+黏滯阻尼器結(jié)構(gòu);現(xiàn)澆混凝土工程綜合單價(jià)(包括混凝土材料費(fèi)、鋼筋材料費(fèi)和施工費(fèi)用)為2200元/m3,預(yù)制混凝土工程綜合單價(jià)(包括混凝土材料費(fèi)、鋼筋材料費(fèi)和施工費(fèi)用)為5 000元/m3

3 結(jié) 論

(1) 計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí),結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)能滿足要求,但其綜合造價(jià)要高于其他方案,不經(jīng)濟(jì)。

(2) 當(dāng)采用鋼筋混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)時(shí),由于結(jié)構(gòu)沿X向有一側(cè)為斜向,使沿X向的支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩僅占總地震傾覆力矩的17.3%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求不小于50%的規(guī)定,故該方案不可行。若突破規(guī)范對(duì)傾覆彎矩的限制條件,其綜合造價(jià)較低,經(jīng)濟(jì)性較好。

(3) 當(dāng)采用鋼筋混凝土+防屈曲鋼板墻結(jié)構(gòu)時(shí),結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均能滿足要求,但由于防屈曲鋼板墻對(duì)結(jié)構(gòu)附加的剛度要小于防屈曲約束支撐,其在小震下的耗能能力要弱于黏滯阻尼器,因此綜合造價(jià)比鋼筋混凝土框架+防屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架+黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)高,經(jīng)濟(jì)性略差。

(4) 綜合考慮結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和規(guī)范規(guī)定,本工程采用方案4,即鋼筋混凝土框架+黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)。不僅可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,還能在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下最大程度地降低工程造價(jià)。