特殊桁架抗彎框架體系在地震區的應用

朱光耀

(上置毅家投資管理(上海)有限公司,上海 200010)

1 工程概況

本項目是將2層地下室之上原有建筑拆除后,新建的品牌零售店。地上建筑面積1 951 m2,由后場區和前場區組成。后場區1層,功能為會議、辦公和設備間。前場區2層,結構總高度12.6 m,功能為零售和少量辦公,其特點是大跨度、大懸挑。

項目設計使用年限為50年,所在地抗震設防烈度為8度,場地類別Ⅱ類,設計基本地震加速度值0.2 g,設計地震分組為第二組,抗震設防類別為丙類。50年重現期的基本風壓為0.45 kN/m2,基本雪壓為0.40 kN/m2。

2 結構體系

2.1 豎向傳力體系

在滿足建筑效果和使用功能的同時,為減少對現有地下室結構的影響,地上結構采用鋼結構。除特殊構件外,地上新建鋼結構均采用Q345B級鋼材。

2層和屋蓋結構平面布置圖見圖1。2層室內和②軸以東的建筑首層為主要的展示和銷售區域,即前場區。建筑要求空間內不得暴露結構柱,故結構設計結合南北山墻布置4根巨型鋼柱(截面H1 000 mm×800 mm×40 mm×50 mm),作為前場區2層樓面和屋蓋結構的豎向支撐,2層樓面采用1 200 mm 高鋼桁架上鋪130 mm厚現澆混凝土壓型鋼板樓面。

②軸以西的建筑首層為后場區,布置了12根鋼柱,采用常規鋼框架結構,其頂部采用實腹鋼梁上鋪130 mm厚現澆混凝土壓型鋼板組合樓面。

屋蓋結構采用雙向正交的鋼桁架系統,桁架上、下弦平面內分別設置水平支撐,以增強屋蓋平面內剛度。屋蓋桁架高度1 500 mm,靠近懸挑端部時逐漸收縮為變截面實腹鋼梁。屋蓋下部為室內空間的區域鋪設輕型壓型鋼板作為保溫層和防水層的支撐。

圖1 結構平面布置圖

2.2 結構抗側體系概述

本項目前場區的兩層鋼結構主要由4根鋼柱支撐,其中北側2根鋼柱落在地下室混凝土框架柱頂部,南側2根鋼柱落在地下室混凝土框架梁的近似跨中位置,形成轉換結構。4根鋼柱在東西和南北兩個方向均形成單跨框架體系。根據《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》第8.1.5條,甲、乙類建筑和高層的丙類建筑不應采用單跨框架,多層的丙類建筑不宜采用單跨框架。本項目屬于多層的丙類建筑,屬于不宜采用單跨框架之列。在不影響建筑使用功能的前提下,結構設計采用以下解決方案,保證結構抗側體系的經濟、合理。

2.3 東西方向——屈曲約束支撐框架(BRBF)

巨型鋼柱在東西方向上的跨度為11m,鋼柱之間可在建筑山墻內布置人字形支撐,以形成框架—偏心支撐體系。本項目共使用8根耗能型屈曲約束支撐(BRB),布置于首層及2層的東西向鋼柱之間,與鋼柱及樓面桁架共同組成東西向的主要抗側力體系,見圖2。

圖2 軸剖面圖——BRB支撐鋼框架

BRB構件兩端與鋼框架之間采用銷軸連接,在結構側向位移時,施加在BRB構件上的始終保持為軸向變形,符合BRB預設的受力特性。同時,BRB須在主體鋼結構結構安裝以及樓面混凝土澆筑完畢后安裝,以避免施工過程中豎向荷載在BRB內引起附加內力。

2.4 南北方向——特殊桁架抗彎框架(STMF)

巨型鋼柱在南北方向上的跨度約22 m,為主要的展示和零售區,根據建筑使用要求,零售區內既不能加柱,也不能設置支撐。故而結構設計在南北方向引入特殊桁架抗彎框架體系。

原則反映規律，青年價值觀教育遵循思想政治教育的一般規律，青年價值觀教育的原則主要有以下三點：第一，一元主導原則。一定的社會存在決定著一定的社會關系，目前我國客觀存在著多元化價值觀念，也使得青年的價值取向呈現了多樣化，所以需要以一元主導在青年群體中形成共同的價值目標。第二，動態發展原則。世界是不斷向前發展的，價值觀教育也要不斷創新。教育內容和教育方法都要結合時代主題，與時俱進。第三，實事求是原則。開展價值觀教育時要堅持一切從實際出發，理論聯系實際，既要聯系青年的發展狀況、思想實際，也要講究教育實效，避免主觀性和盲目性。

特殊桁架抗彎框架是一種適用于高烈度地震區的延性框架體系,見圖3。通過在樓面桁架中設置特殊段和耗能構件,使得結構在地震作用下,特殊段內的耗能構件優先耗能屈服,實現強柱弱梁的屈服機制,提高結構延性并實現預定的抗震性能目標[1]。當柱子跨度較大時,其經濟性往往優于普通鋼框架。美國國家標準《鋼結構建筑抗震規定(ANSI/AISC 341—16)》中對特殊桁架抗彎框架體系有較詳細規定[2]。

美國建筑結構荷載規范ASCE-7采用響應修正系數(Response Modification Coefficient)R將彈性地震力折減至設計地震力,不同結構體系的R值從1～8不等,延性越高的結構體系其R值越高[3]。特殊桁架抗彎框架的地震響應修正系數R=7,遠高于R=3.5的普通鋼框架體系。可見，特殊桁架抗彎框架是一種延性較好的鋼結構體系。

圖3 特殊桁架抗彎框架屈服機制

本項目南北向的抗側體系采用特殊桁架抗彎框架(STMF),用于耗能的特殊區段設置在②軸和③軸的樓面和屋蓋鋼桁架跨中位置,見圖4。

圖4 ③軸剖面圖——特殊桁架抗彎框架

屋蓋和2層桁架特殊區段位于桁架跨中,長度分別為9.45 m和5.55 m,其與跨度的比值分別為0.43和0.25,均介于0.1到0.5之間。特殊區段節間長度與高度之比分別為1.31和1.03,均介于0.67到1.5之間,符合相關規定。

特殊區段內節間以交叉斜腹桿作為主要耗能構件。交叉斜腹桿采用鋼材強度等級為LY225的實心方鋼,截面邊長分別為45 mm和38 mm。方鋼通過節點板與桁架上、下弦桿焊接連接。根據ANSI/AISC 341—16規定,在特殊段內不允許弦桿構件的拼接,在距離特殊段的端部的一半節間長度內也不允許拼接。結合構件公路運輸考慮,本項目的拼接位置見圖5。另外,為減少在豎向荷載下特殊段交叉斜腹桿的應力,本項目要求在鋼桁架安裝完畢后,荷載和主要附加恒載已經施加完畢后,再焊接安裝交叉斜腹桿。

圖5 桁架特殊區段的立面圖

3 結構彈性分析

3.1 設計依據

本項目主要按照現行國家標準進行結構分析和設計,特殊桁架部分參照ANSI/AISC 341—16進行設計。業主方組織專家在方案階段進行咨詢論證,專家咨詢意見也是本項目結構設計的依據。

3.2 主要參數

按照《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》,鋼結構抗震等級為三級,特殊桁架的特殊區段作為主要耗能部位,抗震等級取二級。小震作用下的結構響應采用振型分解反應譜法進行分析,采用剛性樓面假定,結構嵌固位置取地下室頂面,反應譜曲線按《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》的相應規定進行取值,阻尼比取0.04[4]。

3.3 小震彈性分析結果

振型分析得到的前4階振動周期分別為：0.85 s(南北向平動)，0.72 s(扭轉)，0.65 s(屋蓋豎向振動)，0.61 s(東西向平動)。

小震作用下,結構在東西、南北向的最大層間位移角分別為1/628、1/517,均滿足小于1/250的限值要求。層間位移比分別為1.19、1.05,均小于1.2,屬于扭轉規則結構。

小震作用下,結構在東西、南北向的剪重比分別為0.12、0.09,均滿足大于0.032的限值要求。

3.4 豎向荷載作用下的結構變形

本項目一個顯著的結構特點就是屋面的大懸挑,屋面東、西兩側的懸挑跨度分別達到了14.7 m和11.8 m。以東側懸挑為例,最遠端在恒載、屋面活荷載和風荷載下的豎向位移分別為127.1、29.8 mm和32.4 mm,顯然懸挑桁架必須預起拱。預起拱之后,活荷載和風荷載引起的最大變形為1/236,小于預設的1/180變形限值要求。

3.5 樓面舒適度分析

本項目室內2層是零售區,樓面的柱間跨度為11 m,自③軸向東側懸挑5.26 m,見圖1。因此樓面舒適度需要滿足實際使用需求。選取最不利的4處位置進行舒適度計算,計算結果見表1。

表1 樓面舒適度響應

因使用方本項目對振動舒適度要求較高,故結構設計在2層樓面振動最不利位置共布置4對調諧質量阻尼器(TMD),見圖1。初步分析表明,若安裝TMD之后,行人行走引起的樓面豎向加速度峰值將大幅降低,其數值已達到住宅使用的舒適度要求,見表2。TMD將在2層樓面荷載基本施加完畢后,由專業廠家對樓面結構振動特性進行測試,根據測試結果進行TMD的詳細設計、安裝和調試工作。

表2 安裝TMD后的樓面響應

3.6 轉換梁設計

南側2根鋼柱通過地下室頂部的混凝土梁將荷載傳遞至混凝土框架柱和基礎。因此該轉換梁的設計關系到上部結構的安全。南側2根鋼柱在豎向荷載下的基底反力分別為1 850 kN/2 650 kN,非線性靜力推覆分析得到的大震基底最大壓力分別為4 584 kN/5 276 kN。

根據專家咨詢意見,轉換梁承載力應按照大震不屈服進行加固設計。該梁原始截面為800 mm×700 mm,采用增大截面法加固,梁頂、梁底、側面的增大尺寸分別為420、400、400 mm,加固后轉換梁截面尺寸為1 600 mm×1 520 mm。

4 非線性靜力推覆分析

4.1 概述

本項目采用特殊桁架抗彎鋼框架,屬于國外規范規定的結構體系,且結構設計采用了BRB及特殊桁架跨中的軟鋼斜腹桿作為耗能構件,因此應進行彈塑性變形驗算?？紤]到本項目屬于結構體型相對規則且層數較少的框架結構,采用靜力推覆方法來考察結構在大震下的抗震性能是合適的。

4.2 結構抗震設計性能目標

滿足中國抗震規范的三水準的設防目標,即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

具體來說,在多遇地震下,結構無損壞。在罕遇地震下,結構最大層間位移角不超過1/50。關鍵結構構件,如STMF特殊區段交叉斜桿的軸向變形，豎桿的塑性轉角變形滿足防倒塌(CP)性能目標限值；BRB支撐軸向變形滿足生命安全(LS)性能目標限值。其余鋼框架梁、柱塑性鉸滿足生命安全(LS)性能目標限值(注：CP、LS性能目標分別相當于《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》附錄M所描述的性能4、性能2)。

4.3 靜力推覆分析結果

采用SAP2000軟件對本項目分別在東西、南北兩個方向進行非線性靜力推覆分析,采用1∶0.85對兩個主軸方向的推覆分析進行組合。

從分析結果來看,各方向多遇地震的性能點均在彈性區段,表明結構在小震下無破壞。在罕遇地震下,東西方向上的靜力推覆到達性能點時,BRB支撐出現塑性鉸,其軸向塑性變形小于生命安全(LS)性能目標限值。南北方向上的靜力推覆到達性能點時,部分STMF交叉斜桿軸向出現塑性鉸,大部分的塑性變形小于生命安全(LS)性能目標限值,個別桿件的塑性變形小于防倒塌(CP)性能目標限值,見圖6。

結構在罕遇地震下到達性能點時,東西、南北兩個方向的剪重比分別為23.8%、47.1%,兩個方向的最大層間位移角分別為1/120、1/103,滿足1/50的防倒塌要求。

圖6 罕遇地震下塑性鉸情況(箭頭為推覆方向)

5 結 語

本項目為多層鋼框架結構,配合建筑使用功能要求采用單跨框架。為保證結構的安全以及在大震下足夠的延性,采用美國ANSI/AISC 341—16中規定的特殊桁架抗彎框架體系。在專家指導下,經過線彈性分析和非線性靜力推覆分析表明,結構既滿足現行抗震規范的各項要求,在大震下又具有良好的耗能和抗震性能。目前主體結構已經施工完畢,各項檢測和監測數據符合現行規范和設計要求。

本文的案例也為地震區的鋼結構建筑采用單跨框架抗側體系提供了一種解決方案。