鋼結(jié)構(gòu)模塊-核心筒建筑結(jié)構(gòu)體系計算分析

文/中國建筑設(shè)計研究院有限公司 楊春林 劉長松 武曉敏

1 工程概況

江蘇省鹽城市大豐區(qū)某小區(qū)住宅樓項目，地上采用鋼結(jié)構(gòu)模塊-核心筒結(jié)構(gòu)體系，地下采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地上8層、地下1層，建筑面積約0.47萬m2。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值0.15g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類，特征周期0.65s，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果

模塊-核心筒結(jié)構(gòu)體系是一種裝配率很高的建筑體系，主要由核心筒與多個集成建筑模塊組成。核心筒為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，率先在現(xiàn)場施工完成，模塊在工廠預制完成后運抵現(xiàn)場進行拼接。模塊與核心筒、模塊與模塊之間通過連接件進行可靠連接，可保證整個體系的受力性能。

2 核心筒結(jié)構(gòu)選擇

模塊-核心筒結(jié)構(gòu)體系的核心筒作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，承擔建筑地震及風荷載作用下的全部水平荷載，并承擔自重；鋼結(jié)構(gòu)模塊采用鋼密柱體系，主要承擔豎向荷載。標準層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置

由于本項目所在地區(qū)設(shè)防烈度較高且場地類別為Ⅲ類，若核心筒仍采用常規(guī)的混凝土剪力墻、型鋼混凝土剪力墻或鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，只能通過增加剪力墻厚度或鋼構(gòu)件截面尺寸，以滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，但過大的構(gòu)件尺寸加大施工難度、壓縮建筑空間、增加整體成本，也導致結(jié)構(gòu)自重增加，地震作用加大。通過比選，本項目采用鋼板剪力墻組成核心筒。

鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)主要包括非加勁鋼板剪力墻、加勁鋼板剪力墻、防屈曲鋼板剪力墻、鋼板組合剪力墻、開縫鋼板剪力墻等。由于雙鋼板-混凝土組合剪力墻具有延性好、構(gòu)造簡單、施工方便、避免接縫外露等優(yōu)點，故本項目選用雙鋼板-混凝土組合剪力墻作為結(jié)構(gòu)體系的核心筒。

3 結(jié)構(gòu)布置

抗側(cè)力筒體采用雙鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)，核心筒結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。通過鋼板剪力墻與框架組成抗側(cè)力體系，在外圈布置鋼板剪力墻，形成“筒體效應”，整體結(jié)構(gòu)計算模型如圖4所示。

圖3 鋼板墻核心筒平面布置

圖4 整體結(jié)構(gòu)計算模型

核心筒鋼板剪力墻厚度為250mm，兩側(cè)鋼板各厚10mm，鋼材材質(zhì)為Q355C，剪力墻內(nèi)填強度等級為C40的自密實混凝土。

外包鋼板和內(nèi)填混凝土一般采用栓釘、T形加勁肋、綴板或?qū)菟ㄟB接，也可采用混合連接方式。本項目鋼板與混凝土采用栓釘連接，栓釘間距250mm；兩側(cè)鋼板通過冷彎角鋼拉結(jié)，角鋼采用∟230×60×8，間距750mm。與鋼板相連的角鋼短肢預留長80mm、間距200mm的槽焊孔，便于現(xiàn)場焊接。角鋼長肢設(shè)置200mm×80mm、間距400mm的矩形孔，便于混凝土澆筑。鋼板剪力墻構(gòu)造如圖5所示，鋼板剪力墻與框架柱的連接構(gòu)造如圖6所示。在兩塊鋼板之間設(shè)置冷彎角鋼可防止墻身鋼板局部屈曲、約束內(nèi)部混凝土、提高混凝土變形能力，使鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。

圖5 雙鋼板-混凝土組合剪力墻構(gòu)造

圖6 鋼板剪力墻與框架柱的連接構(gòu)造

4 計算基本假定

1）按分塊彈性樓板和分塊剛性樓板分別進行計算，其中層間位移控制樓板分塊剛性計算結(jié)果，其余參數(shù)控制彈性樓板計算結(jié)果。

2）計算核心筒時模塊鋼柱按兩端鉸接模型考慮，計算模塊鋼柱時按柱兩端鉸接和上端鉸接下端固結(jié)2種模型工況進行包絡值控制。

3）樓板采用殼單元模擬，殼單元自動剖分最大單元尺寸為1m。

4）核心筒與模塊之間的連接構(gòu)件按三角形鉸支座簡化輸入，釋放一端豎向位移，只傳遞水平剪力和拉壓力。

5）模塊與模塊的角部連接鋼板按兩端固結(jié)桿件，模塊間塞板按殼單元等效。

6）模塊與模塊間的樓板連接鋼板按兩端固結(jié)板件輸入。

5 結(jié)構(gòu)彈性計算分析結(jié)果

本項目采用結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件ETABS（18.1.0版）和YJK（2.0.0版）進行分析計算，并采用YJK軟件進行彈性時程分析。

5.1 結(jié)構(gòu)動力特性

YJK與ETABS計算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

以扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期與以平動為主的第一振型周期之比分別為0.69（YJK）和0.66（ETABS），均小于規(guī)范0.90的限值，滿足規(guī)范要求。

5.2 位移與內(nèi)力

地震作用下x，y向?qū)娱g位移角如圖7所示，從層間位移角大小來看，x向?qū)娱g位移角在1/775以內(nèi)，y向?qū)娱g位移角在1/1607以內(nèi)，滿足層間位移角Δu/h≤1/300的限值要求。在考慮偶然偏心地震作用下，x向最大位移比為1.08，y向最大位移比為1.06，均小于規(guī)范1.50的限值要求。

圖7 地震作用下層間位移角

樓層x向和y向的地震剪力如圖8所示，由此可看出，YJK與ETABS計算結(jié)果接近。

圖8 樓層地震剪力

5.3 結(jié)構(gòu)彈性時程分析

本項目采用YJK軟件進行多遇地震作用下彈性時程分析時，地震波采用2條天然波和1條人工波，地震記錄的頻譜特性與場地特性一致，地震地面主分量峰值加速度采用35cm/s2，主、次向峰值加速度比值為1∶0.85，采用的地震波時程曲線及地震波的頻譜特性如圖9～14所示。

圖9 天然波TR1加速度時程曲線

圖10 天然波TR2加速度時程曲線

圖11 人工波RG1加速度時程曲線

圖12 地震波反應譜曲線

圖13 規(guī)范反應譜法與彈性時程分析位移比較

圖14 規(guī)范反應譜法與彈性時程分析的位移角比較

由圖可知，彈性時程分析法與CQC反應譜法得到的位移及位移角分布曲線的變化規(guī)律基本一致。彈性時程分析得到的最大層間位移角：x向為1/868（6層天然波1），y向為1/1657（6層天然波1），與CQC法結(jié)果吻合較好。

規(guī)范反應譜法與彈性時程分析的地震剪力比較如圖15所示，由計算結(jié)果可以看出：3條地震波中，每條基底剪力均大于反應譜法的65%，3條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結(jié)果的80%，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）第5.1.2條的規(guī)定，彈性時程分析的各樓層剪力平均值和反應譜結(jié)果比較接近。結(jié)構(gòu)地震作用效應取3條時程曲線計算結(jié)果的包絡值與振型分解反應譜法計算結(jié)果的較大值。

圖15 規(guī)范反應譜法與彈性時程分析的地震剪力比較

6 結(jié)語

1）核心筒采用雙鋼板-混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)，采取合理構(gòu)造措施使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，可滿足結(jié)構(gòu)承載能力和變形要求。

2）采用YJK和ETABS軟件進行結(jié)構(gòu)建模計算分析，二者結(jié)果相近，且均能滿足規(guī)范要求。

3）以扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期與以平動為主的第一振型周期之比分別為0.69（YJK）和0.66（ETABS），滿足規(guī)范限值要求，說明結(jié)構(gòu)具有較大的抗扭剛度和良好的抗扭能力。