王建爍，馬克儉，申 波，聶世杰，陳佳琪，熊奇?zhèn)?/p>

(貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州貴陽550003)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對物質(zhì)和文化生活要求的不斷提高，尤其是在用地緊張、人口密集的城市中，人們對各類建筑提出了更新，更高的要求。建筑鋼結(jié)構(gòu)由于鋼材的優(yōu)異性能，制作安裝的高度工業(yè)化以及結(jié)構(gòu)體形的新穎和靈巧，已越來越廣泛地得到應(yīng)用。而人們對于新建建筑審美要求的提升，各類不規(guī)則建筑也如雨后春筍般的出現(xiàn);裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系由于具有良好的空間受力性能，在滿足建筑造型新穎的要求后在結(jié)構(gòu)抗震方面也有著不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，本文就新型鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)高層住宅平面不規(guī)則下的抗震性能做了一些探討，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系

裝配整體式鋼空腹夾層板樓蓋結(jié)構(gòu)體系是由馬克儉教授提出的，已在國內(nèi)多層大跨度工程中得到應(yīng)用。空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)的定義為，由兩片橫向鋼網(wǎng)格板和多塊豎向網(wǎng)格組合形成盒式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)疊合形成多層與高層筒體，在同一層幾個盒組合后再疊合形成束筒體系結(jié)構(gòu)。盒式結(jié)構(gòu)采用磷石膏或脫硫石膏現(xiàn)場澆筑裝配整體式鋼網(wǎng)格框架構(gòu)成住宅建筑的承重外墻及分戶墻，裝配整體式鋼空腹夾層板網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為住宅建筑的樓(屋面)板體系。水平體系和豎向體系均為密肋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)［1］。圖1為鋼網(wǎng)格墻架與空腹夾層板的組合示意圖。

圖1 墻架與樓板拼接

相對于鋼框架結(jié)構(gòu)，盒式結(jié)構(gòu)受力比較均勻，使構(gòu)件內(nèi)力值大幅度減小，相應(yīng)的構(gòu)件截面也減小，而且截面也比較均勻。

盒式結(jié)構(gòu)的樓蓋采用鋼－混凝土協(xié)同式組合空腹夾層樓蓋(圖2)，樓蓋由T型鋼上、下肋組成的雙層井字拼裝單元在拼裝點處通過高強螺栓連接，再在上面澆注一層鋼筋混凝土板，通過栓釘與上肋T型鋼梁連接。

樓蓋還克服了傳統(tǒng)框架“有墻就有梁”的局限性，更容易滿足戶型要求和功能要求，便于大開間、靈活劃分居室的人性化設(shè)計［2］。

圖2 空腹夾層板空間示意圖

2 平面不規(guī)則

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［3］中規(guī)定了幾種平面不規(guī)則的主要類型。其中包括:扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則以及樓板局部不連續(xù)。要求建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)平面布置規(guī)則、對稱，具有良好的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)并有良好的整體性。但隨著現(xiàn)代建筑的造型設(shè)計的愈加奇特新穎，凹凸不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)勢必會越來越多的出現(xiàn)。

抗震設(shè)計必須設(shè)置豎向與水平的抗側(cè)力構(gòu)件，確保慣性力的傳遞。樓板承受和傳遞側(cè)向力，在地震過程中把水平力傳遞和分配給豎向的抗側(cè)構(gòu)件的同時，又要協(xié)調(diào)同一層的豎向構(gòu)件的變形［4］。建筑物的樓板局部不連續(xù)會導(dǎo)致局部樓板剛度的削弱，使樓板平面內(nèi)的剛性假設(shè)不成立。

在規(guī)則結(jié)構(gòu)中剛性樓板是指平面內(nèi)剛度無限，平面外剛度為0。剛性樓板假定使結(jié)構(gòu)在每層樓板內(nèi)只有3個自由度。而樓板開大洞或者樓板凹凸不規(guī)則的情況下，其樓面板的變形會使樓層中各個抗側(cè)構(gòu)件位移和內(nèi)力產(chǎn)生較大的變化，特別是抗側(cè)剛度較小的構(gòu)件的內(nèi)力會增大。結(jié)構(gòu)抗震分析時，主要依照樓層屋蓋平面的變形情況采用不同的樓板假定進行計算［5］。

對于樓板凹凸不規(guī)則的情況，本文對比了在彈性樓板和剛性樓板假定下普通鋼框架結(jié)構(gòu)與裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)的變形及受力的差別。

3 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系性能對比分析

3.1 工程概況

以湖北襄陽市擬開發(fā)磷石膏為墻體的26層裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)為例。兩梯四戶，結(jié)構(gòu)高度80.6 m，總建筑面積約15000 m2，設(shè)防烈度6度(0.05 g)，鋼材采用Q345鋼，場地類別Ⅱ類。

圖3 普通結(jié)構(gòu)標(biāo)準層平面圖

圖4 盒式結(jié)構(gòu)標(biāo)準層平面圖

工程結(jié)構(gòu)標(biāo)準層如圖3、4所示，樓板呈啞鈴型，標(biāo)準層的軸視圖如圖5、6所示。核心筒處平面凹進尺寸大于總尺寸的30%，同時有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%，屬于凹凸不規(guī)則與樓板局部不連續(xù)。其中的啞鈴把區(qū)域是樓板的薄弱部位。樓層平面整體呈啞鈴形，樓板的平面剛度在啞鈴把區(qū)域急劇變化。

圖5 普通結(jié)構(gòu)標(biāo)準層軸視圖

圖6 盒式結(jié)構(gòu)普通結(jié)構(gòu)軸視圖

中間核心筒部分連接著兩個主體結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)著主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形。在地震作用下其很有可能早于其他豎向的抗側(cè)力構(gòu)件發(fā)生破壞。

本文分別對盒式結(jié)構(gòu)與普通框架結(jié)構(gòu)建模分析。首先采用振型分解反應(yīng)譜法，對比普通結(jié)構(gòu)和盒式結(jié)構(gòu)在剛性板假定與彈性板樓板假定下的不同參數(shù)。

3.2 振型分解反應(yīng)譜

該工程樓板平面凹凸嚴重，屬于不規(guī)則建筑。在結(jié)構(gòu)布置中利用中間部位電梯井的位置設(shè)置核心筒，與周圍鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格墻架協(xié)同工作組成混合承重結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)的整體分析利用有限元分析軟件Midas。利用振型分解反應(yīng)譜法進行結(jié)構(gòu)抗震分析。分別進行四個模型的分析:(1)剛性板假定下普通框架結(jié)構(gòu);(2)考慮彈性板的普通框架結(jié)構(gòu);(3)剛性板假定下的盒式結(jié)構(gòu);(4)考慮彈性板的盒式結(jié)構(gòu)。

四個模型的彈性分析結(jié)果表明，所有的控制性指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

圖7、圖8、圖9、圖10分別給出了四個模型在X、Y向地震作用下的樓板應(yīng)力云圖。

可以看出在X方向地震作用下，當(dāng)采用剛性樓板假定的時候，無論普通結(jié)構(gòu)還是盒式結(jié)構(gòu)核心筒內(nèi)部啞鈴把的區(qū)域內(nèi)應(yīng)力均較為集中且呈條帶狀，而當(dāng)采用彈性板計算的時候，啞鈴把部分的樓板并未起到協(xié)調(diào)應(yīng)力的作用，應(yīng)力反而會集中在核心筒外側(cè)的區(qū)域，呈現(xiàn)點集中狀態(tài)。兩者的應(yīng)力分布差異很大，需提起注意。尤其是彈性板條件下電梯井壁外凸的局部區(qū)域樓板在受力較其他區(qū)域大，該處樓板應(yīng)加強配筋。在Y向地震作用下的樓板應(yīng)力分布差異巨大?？梢悦黠@看出在剛性樓板假設(shè)下無論普通框架結(jié)構(gòu)還是盒式結(jié)構(gòu)的樓板處于柱子區(qū)域部分的應(yīng)力較大。由于水平力傳遞的途徑發(fā)生了阻塞，力流在凹槽處會引起應(yīng)力集中［6］;而在彈性樓板設(shè)定下，樓板的應(yīng)力幾乎都集中在核心筒區(qū)域，這表明彈性樓板幾乎失去了協(xié)調(diào)同一層中豎向抗側(cè)構(gòu)件變形的能力。

圖7 模型1、2 X向地震sig-xx

圖8 模型1、2 Y向地震sig-yy

采用剛性樓板假定的高層建筑，由于各豎向構(gòu)件的側(cè)移在相同的高度都是一致的。在水平地震作用下，地震水平剪力是按照樓層的抗側(cè)構(gòu)件的剛度比例分配的，對于樓板不規(guī)則的建筑，由于樓板本身的變形，結(jié)構(gòu)體系中各個豎向構(gòu)件在同一高度的位移是不相同的，致使框架的位移會大于核心筒的位移，彈性樓板假定下框架的地震剪力V相較剛性樓板假定下的底層框架剪力V0會增大［7］。

圖9 模型3、4 X向地震sig-xx

圖10 模型3、4 Y向地震sig-yy

通過對比各個柱子在地震作用下的剪力值，可知普通結(jié)構(gòu)矩形樓板中部的柱子受力較大，而盒式結(jié)構(gòu)除角柱受力較大外，其余柱子受力較為均勻，有著更明顯的規(guī)律性。這一點為規(guī)格化生產(chǎn)構(gòu)件提供了有利條件。表1給出盒式結(jié)構(gòu)在不同樓板假定下的同層框架剪力比V/V0的值。

表1 同樓層地震剪力比值V/V0

表1中的數(shù)據(jù)均在1.0左右，并未如文獻［7］中所述差距那么大。這表明空腹夾層板密肋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有良好的剛度，能夠有效地協(xié)調(diào)各個豎向抗側(cè)構(gòu)件的變形。

在Y向地震作用下，普通框架結(jié)構(gòu)由于樓板中部設(shè)有柱子，能夠有效地減少彈性樓板所帶來的變形不協(xié)調(diào)的負面影響，兩種情況下的底層柱剪力差距在10% ～15%之間;而盒式結(jié)構(gòu)底層角柱剪力差距較大接近19%。當(dāng)普通結(jié)構(gòu)去掉樓板中間的柱子之后，部分柱底剪力差接近40%，這表明在相同的跨度下，盒式結(jié)構(gòu)相較普通的框架結(jié)構(gòu)有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。同時盒式結(jié)構(gòu)的柱底剪力變化規(guī)律給工程師們的設(shè)計工作帶來了便利。

3.3 靜力彈塑性分析

在彈性分析的基礎(chǔ)上對模型3、4分別作了Y方向推覆分析，沿模型高度施加的分布力取倒三角形。推覆力線和反應(yīng)譜曲線相交。圖11、12分別為模型3、4的能力譜曲線。

圖11 模型3剛性板pushover曲線

圖12 模型4彈性板pushover曲線

從圖13可以看出模型3、4性能點處的層間位移角差距并不是很大。模型4的層間位移角整體較大，最大處層間位移角值約為1/455，小于規(guī)范中規(guī)定的1/100的限值。

圖13 層間位移角

模型4早于模型3出現(xiàn)塑性鉸，從圖14可以看出首批塑性鉸出現(xiàn)的位置基本同彈性分析結(jié)果中樓板應(yīng)力相對集中的位置相同。剛性板假定下，塑性鉸出現(xiàn)的部位集中在啞鈴把的部分，彈性板假定下核心筒外凸的部分反而較為薄弱，該區(qū)域的塑性鉸發(fā)展也很快。

圖14 第一批塑性鉸出現(xiàn)位置

靜力彈塑性分析說明了，樓板的凹凸不規(guī)則對于整體結(jié)構(gòu)的彈塑性性能有著很大的影響。綜合地震作用的不確定性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮到水平地震剪力的有效傳遞，核心筒凹凸部分需要做加強處理。

4 結(jié)論

對平面凹凸不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應(yīng)用剛性板假定和彈性樓板模型的對比分析。結(jié)論如下:

(1)對于平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)慎用剛性板假定，樓板凹凸不規(guī)則的情況下，應(yīng)用剛性樓板假定可能會掩蓋真實情況下樓板應(yīng)力集中的現(xiàn)象，影響到豎向構(gòu)件的內(nèi)力分布。

(2)相對于普通框架結(jié)構(gòu)，盒式結(jié)構(gòu)具有更良好的整體性。在凹凸不規(guī)則的平面布置下，盒式結(jié)構(gòu)中的空腹夾層板能夠更好地傳遞水平剪力，協(xié)調(diào)豎向抗側(cè)構(gòu)件的內(nèi)力分布。

(3)樓板凹槽附近，除了要對樓板加強外，還應(yīng)對豎向構(gòu)件相應(yīng)區(qū)域加強防止其成為大震作用下的薄弱部位。

［1］孫濤.現(xiàn)澆石膏外墻多高層鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)節(jié)能住宅結(jié)構(gòu)體系研究［D］.天津:天津大學(xué)，2012.

［2］馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論與實踐［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］扶長生，劉春明.李詠雙，等.高層建筑薄弱連接混凝土樓板應(yīng)力分析及抗震設(shè)計［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(3):106 －110.

［5］JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］扶長生，鞠進.樓板不規(guī)則對結(jié)構(gòu)抗震分析設(shè)計的影響［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(6):85 －89.

［7］肖志斌，馬躍，裘濤.局部不連續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2003，10(4):208 －211.