某體育館結(jié)構(gòu)關(guān)鍵豎向構(gòu)件的抗震性能設(shè)計(jì)

陶榮杰

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065）

1 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，全國各地建設(shè)了大量的體育館、劇院等場館類建筑，以滿足人民群眾的文化生活需求。這類建筑為實(shí)現(xiàn)內(nèi)部大空間無遮擋的效果，通常看臺、輔助用房采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋蓋采用大跨度的鋼結(jié)構(gòu)桁架或網(wǎng)架支承在下部鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的頂部。作為支承上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的豎向構(gòu)件，此類構(gòu)件較一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件更為重要，如在地震中發(fā)生較大破壞，會導(dǎo)致上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的整體坍塌，后果嚴(yán)重。因此，有必要對此類重要豎向構(gòu)件提出更高的抗震性能要求。

目前，我國GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）（以下簡稱《抗規(guī)》）采用的是采用“三水準(zhǔn)，二階段”的抗震設(shè)計(jì)方法[1]。在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中，對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，通常只進(jìn)行了第一階段小震彈性的設(shè)計(jì)，通過概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來滿足第二水準(zhǔn)及第三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，規(guī)范、規(guī)程并未規(guī)定中震階段的設(shè)計(jì)方法。

2 常用的3種抗震性能水準(zhǔn)

近年來，隨著我國復(fù)雜、超高、超限結(jié)構(gòu)越來越多，很多專家建議，除了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的線彈性計(jì)算外，對復(fù)雜、超高、超限結(jié)構(gòu)或此類結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)補(bǔ)充中震作用下的抗震設(shè)計(jì)。在體育場館項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，很多實(shí)際工程都對支撐鋼屋蓋的重要豎向構(gòu)件進(jìn)行了中震作用下的抗震設(shè)計(jì)[2-3]。中震設(shè)計(jì)最常見的兩種性能水準(zhǔn)是“中震不屈服”和“中震彈性”[4-5]。

2.1 小震彈性

采用多遇地震的計(jì)算參數(shù)，結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）承載力應(yīng)滿足：

式中，γG為重力荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般情況應(yīng)采用1.2，當(dāng)重力荷載效應(yīng)對構(gòu)件承載能力有利時(shí)，不應(yīng)大于1.0；γEh、γEv分別為水平、豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按《抗規(guī)》表5.4.1采用；γw為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)采用1.4；SGE為重力荷載代表值的效應(yīng)，可按《抗規(guī)》第5.1.3條采用，但有吊車時(shí)，尚應(yīng)包括懸吊物重力標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)；SEvk為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)；Swk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；φw為風(fēng)荷載組合值系數(shù)，一般結(jié)構(gòu)取0.0，風(fēng)荷載起控制作用的建筑應(yīng)采用0.2；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)；R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。

2.2 中震不屈服

采用設(shè)防地震的計(jì)算參數(shù)，結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）承載力應(yīng)滿足：

結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）抗震性能要求對應(yīng)《抗規(guī)》附錄M中的性能3。

2.3 中震彈性

采用設(shè)防地震的計(jì)算參數(shù)，結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）承載力應(yīng)滿足：

結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）抗震性能要求對應(yīng)《抗規(guī)》附錄M中的性能2。

3 某體育館項(xiàng)目重要豎向構(gòu)件（框架柱）性能化設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目為體育館建筑，橢圓形輪廓，長方向約110 m，短方向約80 m，屋蓋頂部最大高度約28 m，建筑面積為17 000 m2。地上3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，無地下室結(jié)構(gòu)。屋頂為鋼結(jié)構(gòu)空間桁架體系，桁架最大高度3.5 m。鋼屋蓋與鋼筋混凝土框架柱的連接部分采用鉸接，部分采用滑動支座。結(jié)構(gòu)外圍周邊支撐鋼結(jié)構(gòu)桁架的鋼筋混凝土框架柱為圓形，直徑1 200 mm，結(jié)構(gòu)內(nèi)部支撐鋼桁架的方形框架柱截面尺寸為900 mm×900 mm。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型見圖1，支撐鋼桁架的框架柱柱頂標(biāo)高處的結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：50 a；建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級；本地區(qū)抗震設(shè)防烈度：7度（0.15g）；水平地震影響系數(shù)最大值：0.12（小震），0.34（中震）；抗震設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）；混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級：二級；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；場地類別：Ⅱ類；特征周期：0.40 s；s基本風(fēng)壓：ω0=1.2 5kN/m2。

圖1 計(jì)算模型三維視圖

圖2 框架柱頂部結(jié)構(gòu)平面布置

3.1 不同地震性能水準(zhǔn)作用下轉(zhuǎn)換后內(nèi)力值對比

由于不同地震性能水準(zhǔn)計(jì)算的調(diào)整系數(shù)及材料承載力等參數(shù)取值各不相同，為能更直觀地比較，在考慮內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、作用分項(xiàng)系數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)（0.8）、水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)（0.34÷0.12=2.83）、材料分項(xiàng)系數(shù)（1.18）這些因素影響后，對于本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度7度（0.15g），抗震等級為二級的框架柱，不同性能水準(zhǔn)目標(biāo)下?lián)Q算的框架柱水平地震作用內(nèi)力放大倍數(shù)如下。

小震彈性：彎矩放大倍數(shù)=1.3×1.5×0.8=1.56；剪力放大倍數(shù)=1.3×1.5×1.3×0.8=2.03。

中震不屈服：彎矩、剪力放大倍數(shù)=2.83÷1.18=2.40。

中震彈性：彎矩、剪力放大倍數(shù)=2.83×1.3×0.8=2.94。

從以上計(jì)算可以看出，不論彎矩還是剪力，在水平地震作用下內(nèi)力放大倍數(shù)，中震彈性＞中震不屈服＞小震彈性。但最終的內(nèi)力組合的設(shè)計(jì)值若考慮周期折減等參數(shù)小震與中震取值不同的影響，中震與小震計(jì)算的水平地震作用的比值應(yīng)小于2.83。

3.2 體育館結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總及分析

本工程采用YJK 2.0.3版本進(jìn)行計(jì)算。中震計(jì)算和常規(guī)的小震計(jì)算相比，需要修改的計(jì)算參數(shù)如下：（1）不計(jì)算風(fēng)荷載；（2）修改地震影響系數(shù)最大值為0.34；（3）不勾選考慮偶然偏心和考慮雙向地震作用；（4）周期折減系數(shù)改為1；（5）構(gòu)件的抗震等級改為非抗震；（6）混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比改為7%；（7）取消薄弱層地震放大調(diào)整；（8）在地震性能化設(shè)計(jì)中分別選擇中震不屈服或中震彈性。

本工程3種抗震性能水準(zhǔn)計(jì)算的主要整體指標(biāo)及框架柱配筋詳見表1。其中，框架柱配筋為軟件根據(jù)配筋計(jì)算結(jié)果得到的統(tǒng)計(jì)量。

表1 3種模型計(jì)算結(jié)果對比

通過以上計(jì)算結(jié)果的對比，可以看出：（1）由于3種模型結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面及結(jié)構(gòu)布置未發(fā)生變化，所以結(jié)構(gòu)的基本特性（周期）及結(jié)構(gòu)的規(guī)則性指標(biāo)（最大位移比）均一致。（2）中震不屈服與中震彈性的區(qū)別僅在于構(gòu)件計(jì)算時(shí)的內(nèi)力組合的調(diào)整、放大系數(shù)及材料承載力取值不同，在地震反應(yīng)計(jì)算的參數(shù)及方法是相同的，因此，兩者計(jì)算得到的底層剪力、剪重比、層間位移角均一致。（3）X方向底部剪力中震是小震的2.02倍，位移角中震是小震的1.91倍。Y方向底部剪力中震是小震的1.90倍，位移角中震是小震的1.88倍。底部剪力及位移角中震與小震的比值均小于兩者水平地震影響系數(shù)的比值2.83。（4）在框架柱的配筋量上，中震不屈服比小震彈性大14.4%，中震彈性比中震不屈服大13.6%。（5）通過對框架柱計(jì)算配筋的對比，如圖3所示。圖3中數(shù)據(jù)，（）內(nèi)為中震不屈服配筋值，[]內(nèi)為中震彈性配筋值。發(fā)現(xiàn)有一定數(shù)量的框架柱配筋結(jié)果表現(xiàn)為小震彈性＞中震彈性＞中震不屈服，未發(fā)現(xiàn)中震不屈服＞中震彈性的情況。產(chǎn)生這種計(jì)算結(jié)果的原因是本項(xiàng)目位于沿海地區(qū)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值較大，風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平作用也相對較大，在與小震的水平作用組合后有可能在局部大于中震產(chǎn)生的水平作用。并且根據(jù)本項(xiàng)目的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的局部區(qū)域會產(chǎn)生較大的風(fēng)吸力，風(fēng)荷載體型系數(shù)達(dá)到-3.2，在風(fēng)荷載參與組合的工況下，框架柱為偏拉構(gòu)件，為控制柱配筋的最不利工況。這種情況下框架柱的配筋有大于中震作用下配筋的可能。

圖3 局部柱配筋圖

本工程的設(shè)計(jì)時(shí)，框架柱在小震彈性計(jì)算的基礎(chǔ)上，按中震不屈服設(shè)計(jì)復(fù)核，原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面均可滿足要求，若按中震彈性設(shè)計(jì)復(fù)核，有一定數(shù)量的框架柱超限，需采取增大截面或其他調(diào)整措施。在綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性及經(jīng)濟(jì)性等因素，并和業(yè)主單位及當(dāng)?shù)貙張D單位溝通后，最終確定對支撐鋼屋蓋的重要框架柱采用中震不屈服與小震彈性包絡(luò)設(shè)計(jì)的方法。

4 結(jié)論及建議

1）在進(jìn)行中震計(jì)算時(shí)，不可忽略小震彈性的計(jì)算，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)取兩種計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值，否則會偏不安全，且與我國“三水準(zhǔn)、兩階段”的抗震設(shè)計(jì)原則不符。

2）本文通過對某體育館工程在抗震設(shè)防烈度7度（0.15g），抗震等級為二級的條件下進(jìn)行了3種抗震性能的設(shè)計(jì)，找出了三者在內(nèi)力及配筋上的一些規(guī)律。但對于不同烈度區(qū)，不同抗震等級的結(jié)構(gòu)此規(guī)律有較大局限性。

3）在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，中震計(jì)算作為小震彈性的一種補(bǔ)充，對了解結(jié)構(gòu)在中震作用下的狀態(tài)以及提高結(jié)構(gòu)的抗震性能是可行與必要的。