裝配式多層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析

孟敏婕

嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 嘉興 314000

關(guān)鍵字 裝配式；不規(guī)則；多層框架結(jié)構(gòu)；抗震性能分析

引言

裝配式建筑結(jié)構(gòu)，具有能耗低、污染小、抗震性能好、施工周期短、可回收等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑工程中。裝配式樓蓋體系目前已日趨完善，在各種建筑項(xiàng)目中日益常見。樓蓋體系是水平力傳遞的主要途徑，是在橫向作用下保證豎向構(gòu)件整體協(xié)調(diào)的關(guān)鍵。在地震作用下，裝配式樓蓋是否具體足夠的剛度值得進(jìn)一步的研究論證。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對于建筑的要求不僅局限于安全可靠，對于建筑造型的美觀，對于公共空間的良好體驗(yàn)有了更高的要求。尤其是商業(yè)建筑，室內(nèi)空間的變化，帶來結(jié)構(gòu)的許多不規(guī)則性，樓板大開洞帶來的樓板局部不連續(xù)，及局部穿層柱等。

綜合上述，建筑結(jié)構(gòu)即使是多層的框架結(jié)構(gòu)，其抗震不利性也是不能再忽視。為此，本文以實(shí)際工程為例，對裝配式多層不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)的抗震性能做如下分析，為同類型結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市某區(qū)，總建筑面積為5.2萬m2。項(xiàng)目主體建筑總高度為58.6m，四層裙房高度為21.4m，下部四層為商業(yè)，五層及以上為辦公樓。為避免塔樓偏心導(dǎo)致的抗震不利，設(shè)置一道抗震縫將兩棟高層塔樓和商業(yè)裙房之間斷開，結(jié)構(gòu)體系分為兩個(gè)簡單的單體結(jié)構(gòu)，共同落在大底盤地下室上，各單體均以地下室頂板為嵌固端。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.10g，建筑場地類別為Ⅳ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)特征周期為0.90s。本項(xiàng)目本文主要針對商業(yè)裙房的分析展開，結(jié)構(gòu)二層平面圖如圖1所示。

圖1 二層平面圖

2 結(jié)構(gòu)體系

本單體地上四層，屋面高度為18.2m，抗震設(shè)防分類為乙類，采用裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為二級，由于商業(yè)建筑面積不大且為多層，安全等級取為二級，重要性系數(shù)取1.0，主要柱截面尺寸為600×600，樓板厚度為130mm。主要構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級為C30～C45。

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》[1]，單體的不規(guī)則性判斷結(jié)果如表1所示。

表1 不規(guī)則性判斷

經(jīng)上述分析，本單體存在3項(xiàng)一般不規(guī)則，但考慮單體高度較低，且有一項(xiàng)不規(guī)則程度較低，本著結(jié)構(gòu)安全性從嚴(yán)考慮，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算復(fù)核，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》[1]要求，對單體的抗震性能目標(biāo)設(shè)定如下：

單體總體滿足規(guī)范中性能4的要求，即小震下完好無損，中震下輕～中等破壞，承載力按極限值復(fù)核，大震下部發(fā)生嚴(yán)重破壞；

將局部穿層柱定義為關(guān)鍵構(gòu)件，中震下滿足“抗彎不屈服、抗剪彈性”的性能要求；

大開洞層樓板應(yīng)力滿足“小震不開裂、中震鋼筋不屈服”的要求。

裝配式樓蓋的選型有多種，但結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，單體每層樓板均存在局部不連續(xù)，嚴(yán)重影響樓蓋系統(tǒng)的整體剛度。因此，在預(yù)制樓板選型時(shí)，采用剛度較大，受力性能更接近現(xiàn)澆混凝土樓板的鋼桁架樓承板[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 多遇地震彈性分析

本工程采用YJK和PKPM軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，主要指標(biāo)如表2所示。

表2 兩種軟件的主要計(jì)算指標(biāo)結(jié)果對比

計(jì)算結(jié)果可以看出指標(biāo)結(jié)果較為接近，說明結(jié)構(gòu)模型力學(xué)分析較為可靠。整體結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)豎向剛度布置較為合理。

3.2 多遇地震下彈性時(shí)程

根據(jù)《上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]規(guī)定，本工程應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與CQC法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

根據(jù)規(guī)范要求，從YJK軟件的地震記錄庫中選取7組地震波（包括5組天然波和2組人工波）。時(shí)程分析地震波有效持續(xù)時(shí)間不小于建筑結(jié)構(gòu)自震周期的5倍和15s，時(shí)程分析時(shí)所采用的地震加速度最大值為35cm/s2。將所選的七組地震波的平均譜曲線與反應(yīng)譜比較如圖2所示。

圖2 規(guī)范譜與反應(yīng)譜比較

經(jīng)分析比較可知，所選的地震波的平均值地震影響系數(shù)曲線在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)上相差不超過20%，在統(tǒng)計(jì)意義上與規(guī)范的振型分解反應(yīng)譜曲線相符，可以采用。進(jìn)一步計(jì)算結(jié)果表面，彈性時(shí)程計(jì)算所得的基底剪力滿足《抗規(guī)》第5.1.2條的規(guī)定，即每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的基底剪力均大于反應(yīng)譜計(jì)算所得基底剪力的65%，平均值大于反應(yīng)譜計(jì)算所得基底剪力的80%。

各樓層剪力的計(jì)算結(jié)果比較分析如表3所示，結(jié)果表明CQC計(jì)算結(jié)果的樓層剪力，一層樓層剪力及二層Y向樓層剪力無需放大，其余樓層剪力均應(yīng)乘以相應(yīng)的放大系數(shù)[4]。

表3 多波平均樓層剪力與CQC比較

3.3 抗震性能分析

本工程多數(shù)樓層大開洞，有效樓板寬度小于50%，樓層剛度受到較大的削弱，故將開洞層樓板定義為彈性板，對小震及中震下的樓板應(yīng)力進(jìn)行分析，預(yù)定的性能目標(biāo)為：小震不開裂、中震鋼筋不屈服。

小震作用下，樓板的最大主拉應(yīng)力最大值約為1.4kN/m2，小于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.01kN/m2，能夠達(dá)到小震不開裂的性能目標(biāo)。中震作用下，樓面范圍存在局部的應(yīng)力集中，其他區(qū)域的樓板最大主拉應(yīng)力最大值均小于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.01kN/m2，能滿足中震下鋼筋不屈服的性能要求。對于局部應(yīng)力較大部位，適當(dāng)加強(qiáng)其樓板配筋[5]。

針對局部不規(guī)則的穿層柱，將它作為關(guān)鍵構(gòu)件。對關(guān)鍵構(gòu)件在中震下的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明，穿層柱軸壓比在0.25～0.35之間，縱筋及箍筋計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范的要求，能滿足“抗彎不屈服、抗剪彈性”的承載力要求

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目存在多項(xiàng)不規(guī)則，對抗震不利。本文通過對結(jié)構(gòu)的整體分析，得到結(jié)構(gòu)的指標(biāo)均控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)布置合理，是安全、可靠的。為了提高其抗震性能，對抗震薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析計(jì)算，設(shè)計(jì)中除按照規(guī)范進(jìn)行概念設(shè)計(jì)及抗震構(gòu)造外，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，采取如下措施：

對結(jié)構(gòu)補(bǔ)充進(jìn)行動(dòng)力彈性時(shí)程分析。分析表明，所選地震波的底部剪力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。時(shí)程分析所得的樓層底部剪力平均值大于CQC的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)中應(yīng)取CQC的地震剪力作為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，局部樓層剪力按時(shí)程分析的結(jié)果適當(dāng)放大。

針對樓層局部不連續(xù)。裝配式樓板采用鋼桁架樓承板，在結(jié)構(gòu)分析中，將樓板定義為彈性板，分別進(jìn)行小震、中震作用下樓板應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明，樓板主拉應(yīng)力能達(dá)到“小震不開裂，中震鋼筋不屈服”的性能目標(biāo)。同時(shí)在設(shè)計(jì)中，樓板采用雙層雙向配筋，適當(dāng)提高其配筋率。

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要程度的不同，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，定義穿層柱為關(guān)鍵構(gòu)件，對其進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。同時(shí)，嚴(yán)格控制關(guān)鍵構(gòu)件的軸壓比，并對其配筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。