林 巍, 鄭曉清, 徐銓彪, 沈 金

(1 浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大學(xué)平衡建筑研究中心，杭州 310028)

0 引言

近年來,隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,涌現(xiàn)出大量體型復(fù)雜的不規(guī)則高層建筑,建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下安全性能需要不斷提升。抗震性能化設(shè)計方法可以根據(jù)不同重現(xiàn)期的地震作用,對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或材料的性能進(jìn)行定量細(xì)化分析,從而可以預(yù)測結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的損壞程度,是復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要手段。

本文根據(jù)超限高層性能化設(shè)計的內(nèi)容,從計算分析、性能目標(biāo)選取、專項(xiàng)分析等方面對存在的相關(guān)問題進(jìn)行探討。

1 超限高層計算分析中存在的問題

目前《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》《GB 50011—2010》(2016年版)［1］(簡稱《抗規(guī)》)對抗震結(jié)構(gòu)基本采用“三水準(zhǔn),兩階段”的設(shè)計方法。對于超限高層結(jié)構(gòu),在多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時,需采用兩個不同的計算軟件進(jìn)行分析比較,確保計算模型的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)常作為不同軟件之間計算模型一致性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則性的判斷標(biāo)準(zhǔn),如周期比、位移比、剛重比等。但實(shí)際工程中,采用整體計算指標(biāo)判斷結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度也會存在諸多問題。

1.1 剛重比

高層建筑結(jié)構(gòu)隨著高度增加,P-Δ效應(yīng)逐漸明顯,當(dāng)P-Δ效應(yīng)顯著增加時,在結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)考慮其不利影響［2-3］。側(cè)向剛度與重力荷載的比值稱為剛重比,高層建筑常采用剛重比作為整體穩(wěn)定的控制指標(biāo)［4］。對于帶剪力墻的高層結(jié)構(gòu)(剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)),其剛重比應(yīng)滿足式(1)。

EJd/(H2∑Gi)≥1.4

(1)

式中:EJd為結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)剛度;H為結(jié)構(gòu)總高度;Gi為第i層的重力荷載設(shè)計值。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［4］(簡稱《高規(guī)》)規(guī)定,剛重比≥2.7時可不考慮P-Δ效應(yīng);1.4≤剛重比<2.7時應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)的影響;剛重比<1.4時P-Δ效應(yīng)將急劇增大,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。

然而,《高規(guī)》有關(guān)剛重比限值1.4是在未考慮結(jié)構(gòu)彈性剛度折減的情況下,基于樓層剛度和質(zhì)量沿高度均勻分布的假定,將重力P-Δ效應(yīng)的樓層位移控制在10%以內(nèi)推導(dǎo)得出的［5］。因此,整體穩(wěn)定性驗(yàn)算時,應(yīng)用式(1)需符合兩個基本假定:1)結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻;2)樓層質(zhì)量沿豎向均勻分布。但實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)一般帶有底部裙房,下部平面尺寸較大,豎向構(gòu)件截面尺寸也較大,往上逐漸減小,樓層層高往往也不均勻。特別是一些復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu),如圖1(a)存在連體,圖1(b)為典型的“下小上大”案例模型,圖1(c)體型收進(jìn)等,若仍按式(1)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的剛重比則難以反映結(jié)構(gòu)P-Δ效應(yīng)的真實(shí)情況,將存在較大的誤差。

通常情況下,對于大底盤結(jié)構(gòu),由于重力荷載在底部樓層較大,P-Δ效應(yīng)相對于荷載沿高度均勻分布的結(jié)構(gòu)偏小,P-Δ效應(yīng)增幅同樣控制在10%及以內(nèi)時,結(jié)構(gòu)的剛重比并不需要滿足《高規(guī)》限值,按規(guī)范限值偏于安全。但對于荷載往頂部樓層集中的結(jié)構(gòu),如頂部樓層連體、“下小上大”結(jié)構(gòu)等,即使剛重比滿足《高規(guī)》要求,實(shí)際二階效應(yīng)已經(jīng)超過10%,整體穩(wěn)定性偏于不安全。此外,當(dāng)結(jié)構(gòu)存在樓板大開洞、穿層柱等引起樓層荷載和剛度沿高度分布變化時,也應(yīng)引起重視。楊學(xué)林等［6］通過對復(fù)雜體型的高層建筑進(jìn)行穩(wěn)定性分析,引入了樓層豎向荷載分布系數(shù),推導(dǎo)了樓層荷載分布與結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的關(guān)系,對《高規(guī)》剛重比計算公式進(jìn)行了修正。

1.2 位移比

位移比作為控制結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的指標(biāo)之一,一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。目前在工程設(shè)計中應(yīng)用的多數(shù)計算分析方法和計算軟件,大多假定在平面內(nèi)不變形,樓板平面內(nèi)無限剛,這對于大多數(shù)工程來說是可以接受的。但當(dāng)樓板平面比較狹長、有較大的凹入和開洞而使樓板有較大削弱時,樓板可能產(chǎn)生顯著的面內(nèi)變形,此時如仍采用剛性樓板假定,位移比計算值不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài),宜采用彈性樓板考慮樓板的面內(nèi)變形的影響計算方法,但應(yīng)剔除局部振動對應(yīng)的振型。對高層連體結(jié)構(gòu),應(yīng)進(jìn)行分塔并按分塔統(tǒng)計樓層位移比。

1.3 側(cè)向剛度計算問題

樓層的抗側(cè)剛度是否存在突變是判別結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的重要指標(biāo)之一。現(xiàn)行國家和地方規(guī)范對此都有相關(guān)規(guī)定,但對于樓層側(cè)向剛度及剛度比的計算方法不盡相同。例如:《高規(guī)》采用樓層剪力與層間位移比值的算法?！犊挂?guī)》沒有明確規(guī)定計算方法,但在其條文說明中明確:對于側(cè)向剛度的不規(guī)則,建議根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用合適的方法,包括樓層標(biāo)高處產(chǎn)生單位位移所需要的水平力、結(jié)構(gòu)層間位移角的變化等進(jìn)行綜合分析。上海市《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ 08-9—2013)［7］采用剪切剛度比算法。廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-92—2021)［8］采用樓層剪力與層間位移角比值算法。深圳市《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(SJG 98—2021)［9］規(guī)定當(dāng)?shù)趇層產(chǎn)生單位位移而第i-1層無側(cè)移時,在第i層所需施加的水平力即為第i層的樓層側(cè)向剛度Ki。

根據(jù)側(cè)向剛度的力學(xué)含義及結(jié)構(gòu)軟弱層的定義,采用樓層剪力與層間位移之比的樓層側(cè)向剛度計算方法比較合理,即《高規(guī)》算法。

即使采用《高規(guī)》的算法,目前大多數(shù)計算軟件對帶穿層柱結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度比算法仍不夠明確。如不加以干預(yù),軟件普遍采用了與普通框架柱一樣的算法,將穿層柱所在樓層的中間節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的剪力和位移計入該層。這顯然不能反映穿層柱所在樓層的側(cè)向剛度。因穿層柱與其所在樓層的其他構(gòu)件是脫開的,不能為其所在樓層提供側(cè)向剛度,只能為穿層柱頂端所在樓層提供側(cè)向剛度。因此,本文建議將穿層柱所在樓層的中間節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的剪力不計入該層,穿層柱的剪力、位移計入穿層柱頂端所在樓層,以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

值得一提的是,如果穿層柱個數(shù)較多,范圍較大時,結(jié)構(gòu)受力將由量變引起質(zhì)變。此時應(yīng)將非穿層柱范圍樓板視為夾層更加合理。由于夾層面積相對于標(biāo)準(zhǔn)層的面積來說很小,結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計算時將其按獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)層處理顯然不合理,可采用層間梁、層間板來模擬夾層,便于統(tǒng)計相關(guān)層指標(biāo),但夾層的質(zhì)量會凝聚到上一樓層,造成基底傾覆力矩偏大,結(jié)構(gòu)是偏安全的。

2 抗震性能化設(shè)計方法

2.1 性能目標(biāo)選取

抗震性能化設(shè)計是根據(jù)設(shè)定的性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn),對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計從而使結(jié)構(gòu)抗震性能滿足預(yù)期的目標(biāo),因此性能目標(biāo)的選取尤為關(guān)鍵。

《高規(guī)》將性能目標(biāo)從高到低分為A、B、C、D四個等級,A級性能目標(biāo)是最高等級,中震作用下要求結(jié)構(gòu)達(dá)到第1性能水準(zhǔn),大震作用下要求結(jié)構(gòu)達(dá)到第2性能水準(zhǔn),即結(jié)構(gòu)處于基本彈性狀態(tài);D級性能目標(biāo)是最低等級,要求中震作用下結(jié)構(gòu)滿足第4性能水準(zhǔn),大震作用下滿足第5性能水準(zhǔn),宏觀上結(jié)構(gòu)有比較嚴(yán)重的損壞,但不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。

實(shí)際工程情況十分復(fù)雜,抗震性能目標(biāo)的確定,應(yīng)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造成本、震后損傷及修復(fù)難易程度等因素針對性地提出細(xì)化、量化的性能水準(zhǔn)要求。

結(jié)構(gòu)不規(guī)則性超過規(guī)范較少時,可考慮選用D級性能目標(biāo);結(jié)構(gòu)不規(guī)則性超過規(guī)范很多或特別重要的不規(guī)則建筑時,可考慮選用B級甚至A級性能目標(biāo)。又如抗震設(shè)防類別較低時,特別是浙江沿海地區(qū),地震烈度較低風(fēng)荷載較大,高層結(jié)構(gòu)通常由風(fēng)荷載控制,即使將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準(zhǔn)定為中震不屈服也往往還是風(fēng)荷載起控制作用,此時若要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的抗震承載力,可適當(dāng)提高抗震性能目標(biāo)。

規(guī)范常規(guī)設(shè)計采用的是“三水準(zhǔn),兩階段”的設(shè)計方法,廣義來說也是一種性能化設(shè)計,只是此性能目標(biāo)過于寬泛,沒有進(jìn)一步細(xì)化。《高規(guī)》第3.11節(jié)有關(guān)抗震性能目標(biāo)的選取也應(yīng)只是一種建議和參考,因此《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》(GB 55001—2021)［10］也未見有關(guān)抗震性能化的強(qiáng)制性條文。實(shí)際工程可結(jié)合具體情況對具體構(gòu)件制定差異化的性能目標(biāo),不必嚴(yán)格拘泥于A、B、C、D四個等級和1、2、3、4、5五個性能水準(zhǔn)。例如:如果采用性能目標(biāo)C,高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻定義為關(guān)鍵構(gòu)件,按照《高規(guī)》第3.11節(jié)規(guī)定則需滿足大震抗彎抗剪不屈服。根據(jù)目前普遍采用的大震等效彈性計算方法,對底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗彎來說這一要求很難滿足,而抗彎塑性鉸出現(xiàn)在底部嵌固部位也符合結(jié)構(gòu)抗震屈服機(jī)制,此時可適當(dāng)放寬對抗彎的要求,對底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻只采用大震抗剪不屈服的性能要求。

此外,對關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件等定義也不必拘泥于規(guī)范的條款,必要時可根據(jù)構(gòu)件的重要性增加重要豎向構(gòu)件和重要水平構(gòu)件,制定差異化的性能目標(biāo)。表1為某高層雙塔連體弱連接項(xiàng)目的性能目標(biāo)。

表1 某超限高層差異化性能目標(biāo)

2.2 性能化驗(yàn)算方法探討

目前《高規(guī)》對構(gòu)件性能水準(zhǔn)的驗(yàn)算主要在承載力方面。對變形要求的描述僅在結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間位移角方面。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時,應(yīng)進(jìn)行彈塑性分析。實(shí)際工程中,為方便設(shè)計,規(guī)范允許采用等效彈性方法計算構(gòu)件的組合內(nèi)力。計算中可考慮結(jié)構(gòu)阻尼比的增加(大震工況可增加0.02)以及剪力墻連梁剛度的折減(折減系數(shù)可取0.3～0.5)。但本質(zhì)上等效彈性計算方法是一個十分粗略的近似算法,阻尼比、連梁剛度折減系數(shù)等都是未知數(shù),其取值對構(gòu)件的內(nèi)力大小十分敏感。如何確定等效彈性分析模型中的阻尼比、連梁剛度折減系數(shù)、中梁剛度放大系數(shù)等參數(shù)是個問題。雖然可采用動力彈塑性方法的耗能反算出結(jié)構(gòu)的附加阻尼比,或采用與動力彈塑性分析結(jié)果基底剪力等效的方式確定出連梁剛度折減系數(shù),最終使等效彈性模型與動力彈塑性模型的基底剪力、阻尼比等結(jié)果一致,但是由于整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性后,內(nèi)力將發(fā)生重分布,使得等效彈性方法計算的實(shí)際構(gòu)件內(nèi)力與動力彈塑性分析結(jié)果存在很大差別。這也可能是采用等效彈性驗(yàn)算方法時底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻很難滿足抗彎不屈服的原因之一。

動力彈塑性分析方法雖然可以較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的非線性行為,構(gòu)件內(nèi)力狀態(tài)也比較真實(shí)。但由于地震波具有很大的離散性,直接用其構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計有時也偏于不安全。實(shí)際工程設(shè)計中,可先對底部加強(qiáng)區(qū)和薄弱部位的豎向構(gòu)件等關(guān)鍵部位采用等效彈性的方法設(shè)計,再通過動力彈塑性分析進(jìn)行全部構(gòu)件的性能校核,最終綜合判斷結(jié)構(gòu)的性能。

此外,也可通過增加地震波數(shù)量的方式來減小選波帶來的離散性,如采用7條波結(jié)果取平均值。對于高度不超過150m以第一振型為主的高層結(jié)構(gòu),也可采用靜力彈塑性分析方法,掌握結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的屈服機(jī)制和變形能力。

2.3 抗震性能評價

抗震性能評價是抗震性能化設(shè)計中的重要內(nèi)容。根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)算結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能指標(biāo)是否滿足預(yù)定的要求,評估結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的損傷程度。性能評價主要分整體結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)(主要包括層間位移角、基底剪力、傾覆力矩等)和構(gòu)件層面的評價指標(biāo)(主要包括構(gòu)件彈塑性位移角、材料應(yīng)變、損傷因子等)。

《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范》(CECS 392∶2014)［11］中分別給出了壓彎破壞的鋼筋混凝土構(gòu)件基于應(yīng)變和基于轉(zhuǎn)角的地震損壞等級判斷標(biāo)準(zhǔn)。

廣東省《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計規(guī)程》(DBJ/T 15-151—2019)［12］根據(jù)不同的破壞形態(tài)(彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞)給出了柱、剪力墻、梁的彈塑性位移角限值。

《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECA 20024—2022)［13］中根據(jù)不同損壞等級給出了變形、位移角指標(biāo)限值。

值得一提的是,《高規(guī)》有關(guān)性能水準(zhǔn)的承載力驗(yàn)算和預(yù)期震后性狀之間的關(guān)系也值得商討。例如,結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在性能水準(zhǔn)4下應(yīng)滿足承載力不屈服要求,而根據(jù)《高規(guī)》表3.11.2性能水準(zhǔn)4下關(guān)鍵構(gòu)件可為輕度損壞。既然構(gòu)件承載力滿足不屈服要求,那么構(gòu)件理應(yīng)不發(fā)生損壞,通過什么標(biāo)準(zhǔn)建立“承載力不屈服”和“輕度損壞”之間的關(guān)系是個問題。實(shí)際工程中,常遇到剪力墻關(guān)鍵構(gòu)件性能水準(zhǔn)4大震抗彎承載力驗(yàn)算不滿足,而動力彈塑性結(jié)果構(gòu)件僅為輕微或輕度損傷(滿足《高規(guī)》表3.11.2)的案例。

總之,不同的評價標(biāo)準(zhǔn)對變形指標(biāo)的限值規(guī)定不盡相同,實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)和構(gòu)件破壞模式,選用合適的評價標(biāo)準(zhǔn)。

3 專項(xiàng)分析若干問題探討

3.1 溫度作用

近年來超長、超大建筑工程不斷出現(xiàn),結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮溫度作用日顯重要。超限高層建筑底部常帶有大體量的裙房,當(dāng)超過一定長度時應(yīng)進(jìn)行溫度作用分析。

溫度作用產(chǎn)生的效應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生不利影響,通常在設(shè)計中首先是采取結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施來減少或消除溫度作用效應(yīng),具體如:1)每隔30～40m間設(shè)置寬度800～1 000mm的施工后澆帶,鋼筋采用搭接接頭,后澆帶宜在兩側(cè)混凝土澆筑滿60d后封閉;2)設(shè)置抵抗溫度作用的構(gòu)造鋼筋。對框架梁來說梁頂跨中應(yīng)設(shè)置通長鋼筋,梁兩側(cè)應(yīng)設(shè)置腰筋,腰筋間距s≤200mm,腰筋在框架梁兩端支座應(yīng)按受拉錨固設(shè)計。對樓板來說,應(yīng)設(shè)置雙層雙向拉通鋼筋。

其次當(dāng)在溫度作用和其他可能參與組合的荷載共同作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工和正常使用期間的最不利效應(yīng)組合可能超過承載力或正常使用極限狀態(tài)限值時,設(shè)計人員才需在設(shè)計中計算溫度作用效應(yīng)。但由于結(jié)構(gòu)工程的多樣性和復(fù)雜性、氣溫變化取值難以準(zhǔn)確確定等因素的影響,具體什么情況需要考慮溫度作用以及溫度作用如何取值,應(yīng)由各類材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定和工程師根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)僅對某些溫度作用有關(guān)的設(shè)計參數(shù)作出統(tǒng)一規(guī)定。混凝土結(jié)構(gòu)在進(jìn)行溫度作用效應(yīng)分析時,可考慮混凝土開裂等因素引起的結(jié)構(gòu)剛度降低,但是沒有規(guī)定統(tǒng)一的剛度折減方法。混凝土材料的徐變和收縮效應(yīng)可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并考慮后澆帶的封閉時間后等效為當(dāng)量溫差作用。規(guī)范并未明確給出混凝土收縮徐變的取值或計算公式,各地方規(guī)范和專家提出的經(jīng)驗(yàn)公式也不盡相同?；炷潦湛s換算成當(dāng)量溫差計算公式可參見文獻(xiàn)[15],例如混凝土后澆帶封閉時間為90d時,設(shè)計應(yīng)考慮的混凝土殘余收縮變形比例如圖2所示。

總之,精確計算結(jié)構(gòu)的溫度作用效應(yīng)是十分困難的,實(shí)際工程中不必拘泥于溫度作用效應(yīng)的精確值,應(yīng)更多地關(guān)注定性規(guī)律和構(gòu)造措施。

3.2 樓板應(yīng)力分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)樓板存在開大洞、塔樓裙房屋面收進(jìn)、斜柱轉(zhuǎn)換處樓板等情況時,為保證地震作用有效傳遞,應(yīng)進(jìn)行樓板應(yīng)力分析。

通常情況下可按小震樓板不開裂、中震樓板鋼筋不屈服來控制薄弱樓板的性能目標(biāo),當(dāng)某區(qū)域的樓板對整體結(jié)構(gòu)傳力而言尤為關(guān)鍵時,也可適當(dāng)提高樓板的性能目標(biāo)。計算時應(yīng)按彈性膜考慮樓板面內(nèi)的真實(shí)剛度。

3.3 穿層柱分析

高層建筑由于底部有大堂等功能存在穿層柱。穿層柱的受力機(jī)理較為復(fù)雜［14］,且兩端受到梁和樓板的彈性約束,這與固接或鉸接的簡單邊界有較大區(qū)別,當(dāng)穿層柱通高長度和所受荷載較大時應(yīng)進(jìn)行穿層柱專項(xiàng)分析。

一般根據(jù)穿層柱的屈曲分析結(jié)果,得出屈曲臨界荷載Pcr,然后根據(jù)歐拉公式反算可得到穿層柱的計算長度系數(shù)μ。

(2)

式中:L為穿層柱柱高;EI為穿層柱的抗彎剛度。

理論上屈曲分析時應(yīng)采用整體結(jié)構(gòu)的真實(shí)荷載分布(可取1.0恒載+0.5活載),采用整體加載(圖3(a))求出穿層柱對應(yīng)一階屈曲模態(tài)的屈曲臨界荷載。但整體加載時結(jié)構(gòu)對應(yīng)穿層柱的屈曲模態(tài)一般不易查找,如圖3(a)中對應(yīng)穿層柱屈曲模態(tài)為第135階。實(shí)際工程中,可采用在穿層柱頂部沿軸向施加1kN的單位力并進(jìn)行該工況的屈曲分析,見圖3(b)。整體加載和單位力加載臨界荷載分別為8.093×105kN和8.586×105kN,整體加載模式和柱頂單獨(dú)加單位力模式的分析結(jié)果十分接近,誤差在5%左右［16］。

3.4 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

在結(jié)構(gòu)整體分析時,一般情況下,對梁、柱、支撐等構(gòu)件均采用梁單元模型進(jìn)行分析,且節(jié)點(diǎn)均為理想的剛接、鉸接或彈性連接。當(dāng)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的安全性對結(jié)構(gòu)整體的安全性影響較大時,如轉(zhuǎn)換構(gòu)件及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),應(yīng)補(bǔ)充相關(guān)構(gòu)件的精細(xì)化分析,在詳細(xì)了解內(nèi)力與變形的同時,可以按精細(xì)化分析的結(jié)果校核設(shè)計。

如需準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)的邊界條件,一般可將關(guān)鍵構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化模型嵌入到整體分析模型中,當(dāng)前多數(shù)軟件不支持自動嵌入,需要人工細(xì)分和連接,過程較為繁瑣。目前,普遍采用的是隔離體法,即將關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)從整體模型中截斷取出,采用實(shí)體單元或殼單元構(gòu)造精細(xì)化有限元模型,然后施加荷載并輸入邊界條件。此時邊界的選擇至關(guān)重要,一般應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)選取位移較小的邊界為固定邊界,在其余邊界施加整體模型中的桿端內(nèi)力。各桿端施加的內(nèi)力應(yīng)為同一荷載工況下的內(nèi)力,不應(yīng)采用包絡(luò)內(nèi)力值。

4 高層連體結(jié)構(gòu)相關(guān)問題探討

4.1 連體結(jié)構(gòu)選波問題

現(xiàn)有規(guī)范對大震時程分析的選波沒有明確規(guī)定,一般可參照小震時程分析的選波要求。正確選擇輸入的地震波,要滿足地震動三要素的要求,即頻譜特性、有效加速度峰值和持續(xù)時間均要符合規(guī)定。

其中頻譜特性可用地震影響系數(shù)曲線表征,要求多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比,在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%。對于弱連接連體結(jié)構(gòu)來說,其振型大多表現(xiàn)為左右塔樓和連接體的相互獨(dú)立振型,選取地震波時其主要振型的周期點(diǎn)應(yīng)包含左右塔樓的主要振型周期點(diǎn),并應(yīng)兼顧連接體本身的振型周期。

此外,當(dāng)兩側(cè)塔樓平面錯位,連接體與塔樓為平面斜交布置時,時程分析應(yīng)補(bǔ)充考慮地震波輸入主向與連接體垂直方向。

4.2 連體結(jié)構(gòu)支座選型探討

弱連接體結(jié)構(gòu)是指連接體的端部同塔樓雖具有可靠的連接,但連接體不足以協(xié)調(diào)主體塔樓之間的內(nèi)力和變形的結(jié)構(gòu)。

兩側(cè)塔樓與連接體結(jié)構(gòu)的支座選型是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,常用的連接形式有一端鉸接一端滑動、一端剛接一端滑動、一端鉸接一端彈性、兩端彈性等,每種連接方式的處理方式均不同,對主體及連接體的受力影響也差別較大。

高層建筑結(jié)構(gòu)中的高位連接體如采用一端固定一端滑動的連接方式,固定端往往內(nèi)力較大,給主樓相關(guān)范圍設(shè)計帶來困難,且支座滑動端位移較大,給建筑設(shè)計和支座處理帶來麻煩。

當(dāng)支座滑動位移較大或固定端內(nèi)力過大時,可采用兩端彈性支座方案。目前常用的彈性支座有鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座。鉛芯橡膠支座水平剛度呈雙折線,初始剛度較大,屈服后剛度變小,同時還能提供一定的阻尼;摩擦擺支座通過滑動界面摩擦消耗地震能量,且具有很好的自復(fù)位功能。已有工程分析表明［17］,連接體兩端均采用彈性支座可一定程度上減小塔樓的樓層剪力和層間位移角,同時大幅度減小連接體的層間剪力。

此外,支座選取時還應(yīng)注意以下幾個方面:1)支座選取應(yīng)兼顧支座之間的變形協(xié)調(diào),同一結(jié)構(gòu)中盡量不采用不同類型的支座。如摩擦擺支座和橡膠隔震支座,兩者的剛度和變形相差較大,設(shè)計時應(yīng)引起重視;2)牛腿等支撐支座的構(gòu)件,建議按關(guān)鍵構(gòu)件定義,采用性能設(shè)計,滿足中震(大震)彈性的性能要求;3)小震、風(fēng)荷載、溫度等作用下,彈性支座應(yīng)保持基本彈性,不宜有過大的變形;4)支座的設(shè)置應(yīng)便于檢查、維護(hù)和更換,設(shè)計文件中應(yīng)注明使用的環(huán)境、檢查和維護(hù)要求。

5 結(jié)論

(1)《高規(guī)》有關(guān)剛重比的計算公式是基于質(zhì)量和剛度沿高度均勻分布的假定提出的,對于一些復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu),若仍按規(guī)范公式驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的剛重比則難以反映結(jié)構(gòu)P-Δ效應(yīng)的真實(shí)情況,有些情況下將存在較大的誤差。

(2)現(xiàn)行國家和地方規(guī)范對于樓層側(cè)向剛度及剛度比的計算方法不盡相同。即使采用《高規(guī)》的算法,對帶穿層柱結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度比算法,目前大多具有層概念的計算軟件仍不夠明確,應(yīng)予以干預(yù)。

(3)抗震性能化設(shè)計方法是“開放包容”的方法,可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性制定差異化的性能目標(biāo)。

(4)穿層柱屈曲分析時,構(gòu)件單位力模式和整體加載模式之間誤差較小,實(shí)際工程中為便于查找對應(yīng)的屈曲模態(tài),可采用構(gòu)件單位力加載。

(5)弱連接連體支座的選型應(yīng)充分考慮剛度和變形的協(xié)調(diào),地震波選取除滿足主樓主要周期點(diǎn)的頻譜要求外還應(yīng)兼顧連接體自身振動周期點(diǎn)的頻譜值。