超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

蔣守杰

(中國建筑第二工程局有限公司 華東公司，上海 200000)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，大空間房屋結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，目前大跨度空間結(jié)構(gòu)成為房屋建筑最主要的結(jié)構(gòu)形式之一，這種結(jié)構(gòu)形式建筑具有樓層較高、懸挑結(jié)構(gòu)較大等特點(diǎn)，目前超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于體系場(chǎng)館、核電站等建設(shè)項(xiàng)目中，多數(shù)為比較重要的公共設(shè)施，因此對(duì)超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性要求更高[1]。但是超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此對(duì)其抗震性能分析具有較高的難度，雖然近幾年超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)安全性受是各國工程界和學(xué)術(shù)界十分關(guān)心的問題，相關(guān)學(xué)者與專家針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能開展了一系列研究，取得了一些研究成果，但是現(xiàn)行分析方法在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想，分析結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的差距，分析誤差比較大，現(xiàn)行方法已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，為此提出本課題研究[2]。

1 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征提取

彈塑性是超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析重要指標(biāo)，其主要表現(xiàn)為混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征，即在地震過程中混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)位移和變形情況，此次采用彈塑性分析方法提取到超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征[3]。在有限元分析軟件中建立超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)實(shí)際情況確定模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)量和梁?jiǎn)卧卧獢?shù)量，利用模型模擬出大懸挑結(jié)構(gòu)在地震波作用下結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征。為了保證大懸挑結(jié)構(gòu)彈塑性分析準(zhǔn)確性，需要對(duì)地震動(dòng)參數(shù)合理選取[4]。大懸挑結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征主要包括變形和位移兩種，因此時(shí)程特征分析的地震波輸入分為包含水平向加豎向地震波兩種工況，將大懸挑結(jié)構(gòu)水平方向平動(dòng)振型作為第一振型，將垂直方向作為第二振型[5]。選擇El-Centro 波、Pasadena 波以及Kobe 波作為輸入地震波曲線，由于這3 種地震波并不能反映出建筑結(jié)構(gòu)所在地真實(shí)地震情況，故對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整公式如下所示。

式中η（t)——調(diào)整后的地震波加速度曲線；

Amax——調(diào)整后的地震波加速度最大值；

η0(t)——原始地震記錄的地震波加速度曲線[6]。

將調(diào)整后的地震波曲線和最大值輸入到模型中，對(duì)混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)模型加載，得到大懸挑結(jié)構(gòu)水平和豎向地震作用效應(yīng)值，其計(jì)算公式為

式中SE——大懸挑結(jié)構(gòu)水平或豎向地震作用效應(yīng)值；

j——表示大懸挑結(jié)構(gòu)平動(dòng)振型；

P——大懸挑結(jié)構(gòu)平動(dòng)振型對(duì)應(yīng)的耦聯(lián)系數(shù)；

SEJ——大懸挑結(jié)構(gòu)水平方向平動(dòng)振型；

Sui——大懸挑結(jié)構(gòu)垂直方向平動(dòng)振型；

Sj——大懸挑結(jié)構(gòu)水平方向平動(dòng)振型的阻尼比；

Sk——大懸挑結(jié)構(gòu)垂直方向平動(dòng)振型的阻尼比；

λ——兩種振型的自振周期比[7]。

通過以上計(jì)算得到的大懸挑結(jié)構(gòu)水平和豎向地震作用效應(yīng)值，即可得到結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征，從而反映出結(jié)構(gòu)彈塑性能，效應(yīng)值越大，則表示結(jié)構(gòu)彈塑性越強(qiáng)。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)分析

根據(jù)提取到的混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程特征，采用線性回歸分析方法對(duì)大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行綜合分析，其用公式表示為

式中κ——混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)；

δ、ξ——回歸系數(shù)；

SE,n——大懸挑結(jié)構(gòu)水平地震作用效應(yīng)值；

SE,m——大懸挑結(jié)構(gòu)豎向地震作用效應(yīng)值。

通過上述計(jì)算得到大懸挑結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)，指數(shù)值在0～1 區(qū)間，結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)越大，則表示大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能越好，根據(jù)分析需求，此次設(shè)計(jì)非常好、比較好、一般、比較差、非常差5 個(gè)等級(jí)，根據(jù)計(jì)算到的抗震指數(shù)值確定抗震性能等級(jí)。如果結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)值在0～0.2 之間，則表示大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能非常差；如果結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)值在0.2～0.4 之間，則表示大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能比較差；如果結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)值在0.4～0.6 之間，則表示大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能一般；如果結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)值在0.6～0.8 之間，則表示大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能比較好；如果結(jié)構(gòu)抗震指數(shù)值在0.8～1 之間，則表示大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能非常好。根據(jù)以上評(píng)估規(guī)則確定大懸挑抗震性能等級(jí)，以此完成大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

完成上述方法設(shè)計(jì)后，以下設(shè)計(jì)一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，選擇目前最為常用的兩種方法作為對(duì)照對(duì)象，為了方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)陳述，以下將兩種方法分別用傳統(tǒng)方法X、Y 表述。以某超限高層建筑工程為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該建筑高度為32.54m，平面尺寸為75m×13.45m，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圖1 為結(jié)構(gòu)頂層平面圖。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)頂層平面示意圖

該建筑混凝土大懸挑高度為11.35m，懸挑部分樓板厚度為110mm，采用的鋼筋種類為熱軋鋼筋，為典型的超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)建筑，利用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)其抗震性能進(jìn)行分析。根據(jù)該建筑實(shí)際情況，建立有限元模型，模型參數(shù)設(shè)定如下所示。

懸挑結(jié)構(gòu)恒荷載（kN/m2) 1.85

懸挑結(jié)構(gòu)活載（kN/m2) 3.41

懸挑梁線荷載（kN/m2) 65.42

熱軋鋼筋彈性模量 2.15×105

鋼筋抗拉標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）335

鋼筋抗壓設(shè)計(jì)值（MPa）270

El-Centro 波加速度（cm/s2) 100

Pasadena 波加速度（cm/s2) 100

Kobe 波加速度（cm/s2) 100

建立彈塑性分析有限元模型，對(duì)大懸挑結(jié)構(gòu)彈塑性分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 樓層位移

根據(jù)結(jié)構(gòu)位移情況確定大懸挑結(jié)構(gòu)彈塑性，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)抗震性能，以下對(duì)具體的分析效果進(jìn)行評(píng)定。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了檢驗(yàn)混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析精度，選擇誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取7 個(gè)大懸挑結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，將其與實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震系數(shù)對(duì)比，測(cè)算出分析誤差，使用電子表格對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 3種方法分析誤差對(duì)比（%）

從上表中數(shù)據(jù)可以看出，3 種方法在分析誤差方面表現(xiàn)出明顯的差異，設(shè)計(jì)方法最大誤差僅為0.09%，數(shù)值較小，基本可以忽略不計(jì)，說明設(shè)計(jì)方法分析結(jié)果基本與實(shí)際情況一致。與設(shè)計(jì)方法相比傳統(tǒng)方法X 分析誤差比其低6.26%，傳統(tǒng)方法Y 分析誤差比其低8.12%，因此證明在分析精度方面設(shè)計(jì)方法優(yōu)于兩種傳統(tǒng)方法，相比較兩種傳統(tǒng)方法更適用于超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

4 結(jié)語

此次結(jié)合彈塑性分析方法優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到超限高層混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析中，提出了一種新的分析思路，有效提高了分析精度，為實(shí)際超限高層建筑工程中混凝土大懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能分析提供了理論支撐，同時(shí)也為該方面研究提供了參考依據(jù)，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。本文研究方法目前尚處于初步探索階段，尚未在實(shí)際中得打大量的實(shí)踐與應(yīng)用，在某些方面或許存在不足，今后會(huì)在方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方法展開深層次探究，促進(jìn)建筑行業(yè)又好又快發(fā)展。