高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化

完海鷹 ，吳限 ，陳安英 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟性能、結(jié)構(gòu)性能和綠色環(huán)保性能的優(yōu)勢。以綜合效益為依據(jù)，從經(jīng)濟性（用鋼量）、結(jié)構(gòu)性（抗震性能）兩方面對鋼結(jié)構(gòu)住宅適用性的研究是必要的。2007年吉林大學(xué)的杜關(guān)記[1]；2012年合肥工業(yè)大學(xué)的宋俊瑞[2]；2013年哈爾濱工程大學(xué)的段柏安[3]均對高層鋼結(jié)構(gòu)住宅彈塑性抗震分析與鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性進行了理論分析與研究。

在對高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建模模擬的基礎(chǔ)上，對高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。

2 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅信息

2.1 工程概況

本文所涉及的二十八層高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，由梁柱相互支撐形成框架結(jié)構(gòu)體系[4]。上部結(jié)構(gòu)頂層標高81.2m，設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。建筑面積12595.03m2，柱網(wǎng)尺寸均為3.3m至3.9m。其標準層平面圖如圖1。

圖1 標準層平面圖

該住宅為丙類建筑，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[5]抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g。建筑物場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45s，地面粗糙類別為B類。設(shè)計基準期取50年，基本風(fēng)荷載標準值取 0.45N/m2，基本雪荷載標準值為0.55N/m2。裝配式外墻采用200厚B06級ALC條板，內(nèi)隔墻采用150厚B06級蒸壓砂加氣砌塊，M7.5專用砂漿砌筑。ALC條板、蒸壓加氣砌塊密度不大于625kg/m3。

2.2 結(jié)構(gòu)建模

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅采用鋼管混凝土柱、H型鋼梁鋼和少量鋼箱梁且均采用中心支撐的方式。梁、柱、支撐鋼材均采用Q345B，鋼管混凝土柱采用C40混凝土。小柱網(wǎng)標準化建設(shè)后有5種尺寸柱截面。

對該結(jié)構(gòu)進行建模計算，其結(jié)構(gòu)模型如圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)模型

2.3 結(jié)構(gòu)初步分析

首先對結(jié)構(gòu)的用鋼量進行計算得出該結(jié)構(gòu)總用鋼量1255t，其中桁架支撐用鋼量為81.5t，梁柱用鋼合計1173.5t，層平均用鋼44.8t，含鋼量99.64kg/m2，一般高層鋼結(jié)構(gòu)住宅含鋼量為85kg/m2～120kg/m2。結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)尺寸多為3.3m～3.9m，小于天津大學(xué)的張昔飛[7]，在十五屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集中的對鋼框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)尺寸的技術(shù)經(jīng)濟分析中，提出的經(jīng)濟柱距6m，對該結(jié)構(gòu)進行多遇地震響應(yīng)，得到其在多遇地震下最大層間位移角均小于1/550。

3 靜力彈塑性分析

3.1 基于性能的抗震設(shè)計思想

基于性能的抗震設(shè)計思想[8]可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和具體要求，在不同水準地震作用下，確定相應(yīng)的性能水準和性能目標。

實際工程中，一般通過層間位移角來定量結(jié)構(gòu)的性能目標，我國的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）2016年版附錄M中表M1.1-2，各性能目標要求的層間位移角限值[9]如表1所示。

本文主要設(shè)定性能目標3，即中震結(jié)構(gòu)進入塑性變形，大震結(jié)構(gòu)嚴重塑性變形，破壞大，需要通過構(gòu)造措施來保證延性。在罕遇地震下需滿足層間位移角小于1/63的要求。

3.2 靜力彈塑性分析結(jié)果

采用振型加載與等加速度加載兩種方式對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析。其層間剪力與層間位移角情況如圖3、圖4所示。

層間位移角參考指標 表1

圖3 各工況性能點處層間剪力

圖4 各工況下結(jié)構(gòu)層間位移角

結(jié)構(gòu)在罕遇地震下各工況性能點處結(jié)構(gòu)響應(yīng)如表2。

最大層間位移角為工況二的1/164，小于性能目標中的1/63。最大位移為工況一中的378mm，等加速度加載下的最大位移均小于振型加載下的最大位移，且最大層間位移角為振型加載下較大，但等加速度加載下的基底剪力均大于振型加載下的基底剪力，可以看出加載方式對結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的響應(yīng)有較大的影響。

3.3 塑性鉸出現(xiàn)情況

圖5 工況一塑性鉸出現(xiàn)情況

圖6 工況二塑性鉸出現(xiàn)情況

各工況罕遇地震性能點處結(jié)構(gòu)響應(yīng) 表2

梁、柱的骨架曲線和支撐的滯回曲線采用FEMA曲線。如下圖5、6、7、8中的塑性鉸狀態(tài)藍色為屈服狀態(tài)并進入應(yīng)力強化直至塑性鉸呈現(xiàn)徹底破壞的紅色。

由上圖各工況下罕遇地震結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)情況可以看到，振型加載與等加速度加載下的結(jié)構(gòu)柱均沒有出現(xiàn)塑性鉸，總體來看，振型加載下的塑性鉸出現(xiàn)較等加速度加載下多。鋼支撐首先出現(xiàn)塑性鉸并破壞，少量鋼梁出現(xiàn)塑性鉸。

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，框架梁端的塑性鉸總是先于框架柱出現(xiàn)，基本上滿足“強柱弱梁”的抗震設(shè)計原則，并且滿足鋼支撐作為結(jié)構(gòu)抗震的“第一道防線”首先屈服破壞。

4 動力非線性時程分析

動力非線性時程分析是輸入符合結(jié)構(gòu)場地類別的地震波[10]，并使得該結(jié)構(gòu)在該地震波造成的地面加速度下進行地震響應(yīng)，從而得到結(jié)構(gòu)對整個地震時間歷程的響應(yīng)的方法。

根據(jù)規(guī)范要求共選取了2條自然波（EI Centro波、Holly波）、1條人工波。

各地震波下層間剪力與層間位移角情況如圖9、圖10所示。

圖7 工況三塑性鉸出現(xiàn)情況

圖8 工況四塑性鉸出現(xiàn)情況

圖9 層剪力圖

結(jié)構(gòu)在3種地震波下層剪力最大值出現(xiàn)在1層，其中在El Centro波下結(jié)構(gòu)基底剪力 X向為 14507kN，Y向為13986kN；Holly波 X向為 17140kN，Y向為15267kN；人工波X向為15899kN，Y向為15177kN。

在選出的地震波下的樓層的層剪力在高層有一個突出，并不像靜力彈塑性分析中，剪力在樓層間呈現(xiàn)出的自高層向底層從小到大的分布。出現(xiàn)這種情況的原因，大概是因為靜力彈塑性分析僅僅以第一振型進行加載或通過某種固定的加載模式進行加載，而在動力彈塑性分析中考慮的不僅僅是結(jié)構(gòu)的第一振型或某種振型，而是能夠控制結(jié)構(gòu)并使得結(jié)構(gòu)對地震響應(yīng)較大的各振型相互組合的結(jié)果。

圖10 層間位移角圖

地震波響應(yīng)下的結(jié)構(gòu)：

El Centro波最大層間位移角X方向為1/140，Y方向為1/157；

Holly波最大層間位移角X方向為1/139，Y方向為1/164；

人工波最大層間位移角X方向為1/119，Y方向為1/135。

5 總結(jié)

①不同加載方式對靜力彈塑性分析的結(jié)果產(chǎn)生一定影響，常加速度加載下，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的基底剪力普遍大于振型加載下的基底剪力，而層間位移角普遍小于振型加載下的層間位移角。

②靜力彈塑性分析下結(jié)構(gòu)的層間位移角普遍小于動力彈塑性分析的層間位移角。且在建筑樓層較高時，靜力彈塑性分析的計算結(jié)果不夠準確，而靜力彈塑性分析與動力彈塑性分析在18層以下的擬合較好，偏差最大約為20%。

③經(jīng)過比較，結(jié)構(gòu)層間位移角小于1/63，滿足結(jié)構(gòu)的性能目標。而在結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”及鋼支撐作為“第一道防線”的條件時，通常鋼支撐首先出現(xiàn)了屈服，并破壞的現(xiàn)象，可以考慮對結(jié)構(gòu)5層以下的鋼支撐截面加強處理。