李俊

【摘要】徐州某空間結(jié)構(gòu)跨度大，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，鋼柱長度，給其抗震性能設(shè)計帶來困難。本文建立上部鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)模型和鋼結(jié)構(gòu)——混凝土裙房整體模型進(jìn)行分析對比，研究地震作用下混凝土裙房對于上部鋼結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。根據(jù)該結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范確定該結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，為該結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。本文結(jié)論可為復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計和地震響應(yīng)分析提供參考。

【關(guān)鍵詞】大跨空間結(jié)構(gòu)；下部結(jié)構(gòu)影響；層間位移角；抗震性能設(shè)計；彈塑性時程分析

1. 結(jié)構(gòu)概況

（1）徐州某綜合體屋蓋建筑坐落于徐州市中央商務(wù)區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的平面形狀為對稱梭形，長軸106m，短軸53m，屋蓋檐口高出裙房屋頂8.7m，結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。天空廣場屋蓋的豎向荷載通過內(nèi)部兩根巨型鋼管混凝土立柱和周邊框架柱傳至其下部裙房結(jié)構(gòu)，天空廣場鋼結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭剛度，由支撐和頂環(huán)梁與鋼柱形成的支撐框架結(jié)構(gòu)提供。該結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜主要體現(xiàn)為：鋼柱長短不一，剛度中心和質(zhì)量中心不重合；鋼結(jié)構(gòu)支承于下部混凝土裙房之上。

圖1天空廣場結(jié)構(gòu)體系組成

（2）目前，考慮下部支承結(jié)構(gòu)影響的分析方法主要包括整體建模分析方法和簡化分析方法。簡化分析方法僅對上部模型進(jìn)行單獨(dú)分析，根據(jù)剛度等效、阻尼等效和質(zhì)量等效的原則，對分析結(jié)果進(jìn)行修正，以減少分析過程的計算量^[1～5]。這些簡化方法尚不能考慮下部支承剛度對上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，且計算精度較低。本文通過整體建模與簡化模型分析比較，研究下部裙房結(jié)構(gòu)對上部鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的程度，并對比國內(nèi)外規(guī)范性能化抗震設(shè)計的要求，制定該結(jié)構(gòu)具體的性能化設(shè)計目標(biāo)。

2. 性能目標(biāo)

2.1性能目標(biāo)的選擇。

（1）性能化設(shè)計是當(dāng)今抗震設(shè)計的發(fā)展趨勢，世界各國設(shè)計規(guī)范設(shè)防水準(zhǔn)和性能目標(biāo)的確定準(zhǔn)則不盡相同。我國現(xiàn)行《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50023^[6]和《建筑工程抗震形態(tài)設(shè)計通則》CECS160^[7]采用三等級設(shè)防水準(zhǔn)， ASCE41^[8]則采用四等級設(shè)防水準(zhǔn)，GB50023與CECS160對應(yīng)的設(shè)防水準(zhǔn)定義基本相同。本文按照GB50023和CECS160的水準(zhǔn)一確定多遇地震水平，按照水準(zhǔn)三確定設(shè)防地震水平，按照GB50023和ASCE41的水準(zhǔn)四確定罕遇地震水平。

（2）CECS160^[7]的性能目標(biāo)選擇按重要性分四級，ASCE41則分為三級。本工程應(yīng)歸為CECS160中的II類建筑或ASCE41中的震災(zāi)關(guān)鍵建筑。GB50011、CECS160和ASCE41中相應(yīng)的性能目標(biāo)比較見表1。

（3）國內(nèi)外主要抗震設(shè)計規(guī)范均未特別給出大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體控制指標(biāo)，本文根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)類構(gòu)件定義其控制指標(biāo)（表2）。

2.2結(jié)構(gòu)變形及構(gòu)件承載能力限值。

目前，多高層結(jié)構(gòu)變形設(shè)計的控制指標(biāo)主要為層間位移角，對于復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu)，層間位移角的定義沒有意義。但對于天空廣場鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，為控制P-Δ效應(yīng)，可參照多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計按框架整體側(cè)移確定層間位移角，以防止結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致玻璃幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損或墜落，該結(jié)構(gòu)的層間位移角應(yīng)考慮鋼柱長度不同和扭轉(zhuǎn)變形兩種因素。由于天空廣場鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土裙房的剛度相差較大，可以認(rèn)為不同長度的鋼立柱其柱頂和柱腳的位移差是一定的，因此，高度較小的鋼柱會產(chǎn)生較大的層間位移角（圖2a）。對于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯的橢圓形屋蓋，角部變形將超過中部變形（圖2b），鑒于此，本結(jié)構(gòu)的層間位移角可偏于安全地定義為較短角柱的柱頂柱腳位移差與該柱柱高之比。在確定構(gòu)件承載能力抗震性能目標(biāo)時，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為主要構(gòu)件和耗能構(gòu)件兩類。主要構(gòu)件包括巨柱、主次桁架、外圍立柱和環(huán)梁，耗能構(gòu)件包括支撐和環(huán)梁。本結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的控制指標(biāo)見表3。

圖2結(jié)構(gòu)變形模式與層間位移角定義

3. 結(jié)構(gòu)計算模型

（1）結(jié)構(gòu)整體計算模型柱腳采用剛接約束，天空廣場單獨(dú)計算模型落地長柱采用剛接約束，其他均采用鉸接約束模擬。鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架采用梁單元，鋼筋混凝土板采用殼單元。鋼材采用Q345B，混凝土為C35～C55，材料本構(gòu)關(guān)系采用抗震設(shè)計規(guī)范推薦的多線性隨動強(qiáng)化模型。計算多遇地震響應(yīng)時，單獨(dú)模型阻尼比鋼結(jié)構(gòu)取0.03，整體模型取0.035；計算罕遇地震響應(yīng)時，兩種模型均取0.05（鋼材本構(gòu)關(guān)系見圖3、混凝土本構(gòu)關(guān)系見圖4）。

（2）時程分析時采用的多遇地震波峰值加速度為35cm/s2，罕遇地震波峰值加速度為220cm/s2，分別將X方向和Y方向作為主輸入方向，主方向、次方向和豎向的地震波峰值比為1：0.85：0.65. 多遇地震波時程曲線見圖5和圖6。

4. 結(jié)構(gòu)自振特性

（1）本結(jié)構(gòu)整體屬于剪切型結(jié)構(gòu)，上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)屬于軸力型結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)和上部鋼結(jié)構(gòu)的振型均比較復(fù)雜，高階振型效應(yīng)可能較大。計算需保證兩個結(jié)構(gòu)模型各個方向的質(zhì)量參與系數(shù)累積量均超過90%，篇幅所限僅將部分自振周期及質(zhì)量參與系數(shù)值列于表4（單獨(dú)模型前三階振型見圖7，整體模型前三階振型見圖8）。

圖7單獨(dú)模型前三階振型

（2）結(jié)構(gòu)單獨(dú)模型的自振模態(tài)表明，豎向振動和扭轉(zhuǎn)在前幾階振型中就開始顯露，且存在平扭耦聯(lián)現(xiàn)象，高階振型貢獻(xiàn)很大；而結(jié)構(gòu)整體模型的自振模態(tài)中，前幾階振型以平扭耦聯(lián)振動為主，豎向振動在70階振型以后才出現(xiàn)。

（3）比較兩種計算模型的計算結(jié)果可看出，鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)模型和鋼結(jié)構(gòu)混凝土整體模型的自振特性差異很大，且兩者之間并無明顯關(guān)聯(lián)。對于結(jié)構(gòu)整體模型而言，其前幾階振型更多地表現(xiàn)為混凝土裙房的自振特性，這表明下部混凝土裙房對于上部鋼結(jié)構(gòu)振動特性影響不可忽略。

5. 地震作用響應(yīng)分析

5.1分析方法。

本文采用彈性時程分析得到結(jié)構(gòu)在多遇地震和設(shè)防烈度地震下的動力響應(yīng)，采用彈塑性時程分析法得到罕遇地震下的動力響應(yīng)。彈性時程分析時選擇CQC組合的模態(tài)積分法；彈塑性時程分析選擇逐步積分法。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀況，彈塑性時程分析時采用軸力——雙向彎矩耦合鉸（P-M-M鉸）。

5.2分析結(jié)果。

結(jié)構(gòu)變形的驗算結(jié)果列于表5，構(gòu)件的承載能力驗算結(jié)果如表6所示。結(jié)構(gòu)層間位移角和屋蓋撓跨比時程曲線如圖9所示，應(yīng)力最大構(gòu)件位置如圖10所示，罕遇地震下塑性鉸出現(xiàn)位置如圖11所示。

5.3結(jié)構(gòu)抗震性能評價。

（1）地震作用下，兩種計算模型結(jié)構(gòu)變形和構(gòu)件承載能力均滿足抗震性能目標(biāo)的要求，其中單獨(dú)模型結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于整體模型，且不同地震水平作用下，構(gòu)件應(yīng)力差異不大，這表明采用單獨(dú)模型，地震效應(yīng)被低估。

（2）罕遇地震作用下，單獨(dú)模型所有構(gòu)件保持彈性；整體模型由于承受較大側(cè)向力作用，部分連梁和支撐構(gòu)件屈服，結(jié)構(gòu)共10處出現(xiàn)塑性鉸，其中P鉸1處，P-M-M鉸9處。進(jìn)入塑性的構(gòu)件占構(gòu)件總數(shù)的0.62%，結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，耗能構(gòu)件發(fā)揮作用，但結(jié)構(gòu)整體變形和關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力均在限值范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

6. 結(jié)論

（1）該結(jié)構(gòu)兩種計算模型的動力特性差異顯著。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，忽略下部結(jié)構(gòu)的影響，僅對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析結(jié)果并不準(zhǔn)確。

（2）根據(jù)國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范，本文從結(jié)構(gòu)變形和構(gòu)件承載能力兩方面制定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。采用按較短角柱側(cè)移和屋蓋撓跨比控制結(jié)構(gòu)變形。多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下的側(cè)移限值依次為1/250、1/125和1/50，多遇地震下?lián)峡绫认拗禐?/250。構(gòu)件承載能力性能目標(biāo)為：多遇地震、設(shè)防烈度地震作用下，構(gòu)件保持彈性；罕遇地震作用下按構(gòu)件分類控制，主要構(gòu)件保持彈性，耗能構(gòu)件允許屈服但不破壞。此性能目標(biāo)可以反映結(jié)構(gòu)的安全要求且可操作性強(qiáng)。

（3）罕遇地震下，耗能構(gòu)件進(jìn)入塑性階段，結(jié)構(gòu)體系合理，抗震性能滿足要求。

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