劉春艷，陳 林

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510500）

1 項目概述

中山某產(chǎn)業(yè)園位于廣東省中山市翠亨新區(qū)，地上建筑面積52萬m2，總建筑面積64萬m2，共18棟單體建筑，主要為生產(chǎn)用房，最高建筑高度為49.55 m，建筑效果如圖1 所示。其中，5#樓、13#樓、14#樓、15#樓分縫后L 型生產(chǎn)廠房為超限結(jié)構(gòu)，此4 棟廠房完全相同，以14#塔樓為例進行分析，塔樓地上9 層，地下1 層，標準層建筑層高為4.8 m，建筑高度為46 m，建筑面積約3.3萬m2，14#塔樓局部立面如圖2所示。

圖1 建筑整體效果Fig.1 Overall Rendering of the Building

圖2 14#樓局部立面Fig.2 Local Elevations of 14# Building

2 結(jié)構(gòu)選型和計算參數(shù)

擬建場地位于中山市，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［1］，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組屬第一組，Ⅲ類場地［2］，場地特征周期0.45 s。大震分析特征周期0.50 s，地震作用計算時采用規(guī)范值。基本風壓為0.7 kN/m2，體型系數(shù)1.4［3］。

2.1 結(jié)構(gòu)布置和選型

本工程地下室及塔樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻體系，剪力墻主要設(shè)置在電梯間及平面對稱位置［4］，結(jié)構(gòu)三維模型如圖3所示。連體結(jié)構(gòu)：連體跨度25.2 m，寬度25.5 m，連接體與塔樓連接形式一般可分為兩類，剛性連接和柔性連接。柔性連接，連接體受力較?。粍傂赃B接，連接體受力復(fù)雜，兩側(cè)塔樓需協(xié)調(diào)變形及受力［5］。本項目結(jié)合建筑使用功能需求及結(jié)構(gòu)受力特點，連體結(jié)構(gòu)采用剛性連接，5層采用斜腹桿鋼結(jié)構(gòu)桁架，6～9層采用空腹桁架，以適應(yīng)大跨度的需求。5 層上、下弦桿截面分別為H600×500×20×40 和H700×400×20×40，5 層以上弦桿截面為H400×250×12×24，斜腹桿和直腹桿截面為口450×450×24，連體桁架剖面如圖4 所示，連體相關(guān)范圍（14-E～14-K 軸）樓板厚度為150 mm，上、下弦及腹桿鋼材強度等級為Q345。

圖3 結(jié)構(gòu)三維模型Fig.3 Structural 3D Model

圖4 連體桁架剖面Fig.4 Conjoined Truss Profile（m）

2.2 連體方案對比

鋼筋混凝土連接體自重大，連接體底層模板受力大，而鋼結(jié)構(gòu)連接體自重小，連接體底層桁架在地面拼裝完成后，采用整層吊裝，安裝完成后再施工連接體的其余幾層，施工難度低［5］。本工程先采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)兩種方案進行對比；連體5 層采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，上弦桿截面為800×400（鋼骨H400×200×20×30），下弦桿截面為1 000×700（鋼骨H500×300×20×30），斜 腹 桿 和 直 腹 桿 截 面 均 為600×600（H300×300×20×40），5 層以上柱和梁均采用混凝土，柱截面為600×600，梁截面為300×900，結(jié)構(gòu)剖面如圖5所示；鋼結(jié)構(gòu)連體5 層上、下弦桿截面分別為H600×500×20×40 和H700×400×20×40，5 層以上弦桿截面為H400×250×12×24，斜腹桿截面均為口500×500×28，直腹桿截面為□450×450×24 結(jié)構(gòu)剖面如圖6所示。5層以上型鋼混凝土土和鋼結(jié)構(gòu)桁架方案對比如表1 所示，可知，混凝土方案最大位移較大，抗剪承載力較小，存在薄弱層且自重較大，采用高支模費用較高，因此選擇鋼結(jié)構(gòu)方案較為理想，且協(xié)調(diào)兩塔變形能力較好。

表1 計算結(jié)果及造價對比Tab.1 Calculation Results and Cost Comparison

圖5 混凝土桁架立面Fig.5 Concrete-concrete Truss Elevations

圖6 鋼結(jié)構(gòu)桁架立面Fig.6 Steel Structure Truss Elevations（m）

連體結(jié)構(gòu)鋼桁架的布置方式種類較多［6］，本項目采用三類鋼結(jié)構(gòu)桁架方案進行計算對比，如圖7所示；方案A在5層兩端采用V型支撐，中間加一根豎腹桿，方案B 采用空腹桁架，此方案一般符合建筑要求，方案C 在5 層采用V 型支撐；對比3 種方案連體部分及周邊支撐梁柱模板圖可知，3 種不同方案7～10 層連體部分平面梁板結(jié)構(gòu)布置完全一樣，5～6 層轉(zhuǎn)換桁架的布置方式不同，方案A 和方案C 截面基本一樣，方案B型周邊支撐連體的型鋼混凝土柱和連接連體的梁均比其余兩種方案截面大；3 種方案整體計算結(jié)果及用鋼量對比如表2所示。

表2 鋼結(jié)構(gòu)方案比較Tab.2 Comparison of Steel Structure Scheme

圖7 3種鋼結(jié)構(gòu)桁架布置方案Fig.7 Three Kinds of Steel Structure Truss Layout Scheme

3 種方案的對比結(jié)果顯示，方案B 用鋼量最大，彈性撓度也最大，支撐桁架周邊的型鋼混凝土柱和梁截面都比較大，一定程度上影響建筑使用功能；方案C桁架整體剛度最大，由于剛度不均勻?qū)е挛灰票瘸^文獻［3］限值較多.經(jīng)比較，方案A的用鋼量相對較小，位移比和彈性撓度均在文獻［3］的允許范圍內(nèi)，最終選擇方案A。

3 大震彈塑性分析

塔樓主屋面高度為46 m，未超過7 度A 級高度框架-剪力墻高層建筑的最大適用高度120 m；考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長的30%，相鄰層剛度變化大于70%（按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［7］考慮層高修正時，數(shù)值相應(yīng)調(diào)整）或連續(xù)3 層變化大于80%，5 層以上連體，存在上述四項目一般不規(guī)則，屬于超限高層建筑工程。根據(jù)塔樓的超限情況、結(jié)合其具體結(jié)構(gòu)特點，總體抗震性能目標為C 級，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標準DBJ 15-92—2013》［8］對本工程進行彈塑性時程分析。

本工程采用PKPM-SAUSAGE 軟件進行彈塑性時程分析，時程分析選取1條人工波和2條天然波進行，地震波峰值加速度為220 cm/s2，計算持時20 s。3 個分量峰值加速度采用0°∶90°∶豎向=1.0∶0.85∶0.65。SAUSAG 分析前三周期為2.059（0°），1.816（90°），1.590（扭轉(zhuǎn)），與盈建科的差別分別為7.87%、4.46%和0.25%，SAUSAGE 模型各節(jié)階陣型振動方向與YJK 計算結(jié)果一致。性能分析評價如圖8、圖9 所示，大震性能分析主要結(jié)論如下：結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角0°方向為1/182，45°主方向最大層間位移角為1/197，90°方向為1/137，滿足文獻［8］1/125 限值。在三向地震作用下，結(jié)構(gòu)整體剛度的退化沒有導致結(jié)構(gòu)倒塌，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

圖8 梁性能水平評價（大部分混凝土梁構(gòu)件出現(xiàn)輕微至中度損傷，其他鋼結(jié)構(gòu)型鋼梁未出現(xiàn)損傷）Fig.8 Evaluation of the Beam Performance Level

圖9 連體及連體支承構(gòu)件性能水平評價情況（連體鋼桁架未出現(xiàn)損傷，連體支承梁和支承柱出現(xiàn)輕微至輕度損傷）Fig.9 Connected Supporting Components and Evaluation of the Performance Level

4 樓板舒適度分析

連廊結(jié)構(gòu)在承受和傳遞豎向力的同時，將水平力傳遞和分配給兩側(cè)的抗側(cè)力構(gòu)件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形［9］；采取剛性連接時，結(jié)構(gòu)整體性較好，對連接體及相連區(qū)域梁板整體性應(yīng)著重加強［10］，連接體部分樓板板厚均為150 mm，連體豎向頻率3.9 Hz，小于4 Hz，對結(jié)構(gòu)進行人群荷載作用下的動力分析并考察其舒適度。加速度峰值響應(yīng)為0.033，＜0.050 m/s2，滿足限值要求，連體豎向振型如圖10所示。

圖10 連體豎向振型（頻率f=3.9 Hz）Fig.10 Conjoined Vertical Vibration Type（Frequency: f=3.9 Hz）

5 溫度影響分析

表4 各工況作用下構(gòu)件絕對值最大剪力Tab.4 Maximum Absolute Shear Force of the Component under each Working Condition （kN）

為了考察連廊結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件主要受何種工況控制，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)中典型的關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力構(gòu)成摘錄列出，如表3～表5 所示，結(jié)論如下：①支承柱的軸力、剪力、彎矩主要是受恒載和活載工況控制（占比范圍為65%～77%），而溫度工況占比范圍為5%～27%；②連廊鋼結(jié)構(gòu)桿件，其軸力、彎矩等內(nèi)力主要受恒載和活載工況控制（合計占比范圍為70%～89%），而溫度工況占比范圍為1%～16%；③說明連體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力主要由恒載和活載控制，溫度對連體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力有一定的影響。

表3 各工況作用下構(gòu)件絕對值最大軸力Tab.3 Maximum Axial Force of Component under each Condition （kN）

表5 各工況作用下構(gòu)件絕對值最大彎矩Tab.5 Maximum Absolute Bending Moment of the Component under each Working Condition （kN·m）

6 節(jié)點有限元分析

鋼桁架與塔樓連接節(jié)點處，為確?！皬姽?jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，需要對關(guān)鍵部位的節(jié)點進行受力性能分析；通過模擬桁架與型鋼混凝土柱相連建立三維有限元實體模型進行計算分析，連接體桁架通過埋在塔樓墻柱內(nèi)的型鋼相連［11］，確保其傳力可靠。

6.1 有限元計算模型

節(jié)點區(qū)內(nèi)部節(jié)點板，厚度取24 mm；混凝土梁1和梁2 的截面為300 mm×800 mm；SXG 截面為□600×500×20×40；XG1截面為□500×500×28×28。取從節(jié)點區(qū)至相鄰節(jié)點的距離作為構(gòu)件長度，在各端部加約束或者荷載。由于荷載對加載端的應(yīng)力應(yīng)變在一定范圍內(nèi)有較大的影響，故本計算結(jié)果中主要查看的是節(jié)點區(qū)的型鋼應(yīng)力。節(jié)點結(jié)構(gòu)大樣圖如圖11 所示。其中柱混凝土等級為C45，鋼筋采用HRB400，斜撐型鋼和型鋼梁采用Q345鋼。

圖11 節(jié)點模型Fig.11 Node Model Diagram

6.2 計算結(jié)果及結(jié)論

⑴在靜力荷載（D+0.5L）工況下，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力在左側(cè)下部斜撐，其值為145 MPa，各構(gòu)件均處在彈性工作狀態(tài)。

⑵最不利地震力組合工況下，梁柱連接處鋼筋應(yīng)力最大為256 MPa，未達到屈服狀態(tài)。最大MISES應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)下部斜撐與柱連接處，最大應(yīng)力約為256 MPa，應(yīng)力比為0.74；左側(cè)鋼梁最大應(yīng)力約為137 MPa，應(yīng)力比為0.40；內(nèi)部型鋼最大應(yīng)力約為119 MPa，應(yīng)力比為0.35；各鋼構(gòu)件均在彈性工作階段內(nèi)。為節(jié)點區(qū)鋼材未出現(xiàn)屈服，混凝土受壓區(qū)剛度退化較少，以及斜腹桿的應(yīng)力最大，節(jié)點區(qū)的應(yīng)力較小，節(jié)點區(qū)域滿足不屈服的性能要求。

7 結(jié)論

⑴多層連體結(jié)構(gòu)一般采用鋼結(jié)構(gòu)桁架，自重輕，桁架最大彈性撓度小，抗剪承載力比容易滿足，且協(xié)調(diào)兩塔樓變形能力較好。

⑵動力彈塑性分析顯示在大震下，大部分連梁嚴重損壞，部分剪力墻出現(xiàn)輕微至中度損壞，說明結(jié)構(gòu)主要由剪力墻和梁構(gòu)件產(chǎn)生塑性耗能，連體部位按規(guī)范要求抗震等級提高一級后能滿足性能設(shè)計要求。

⑶連體結(jié)構(gòu)主要以承受豎向力為主，溫度影響有限，地震力由連體連接部分加厚的樓板傳遞。

⑷鋼桁架和型鋼混凝土柱的連接節(jié)點在不利地震作用下，混凝土受壓區(qū)剛度退化較少，節(jié)點區(qū)的應(yīng)力較小，節(jié)點域滿足不屈服的性能要求，安全可靠。