周 露，黃襄云，沈朝勇，馬玉宏

(廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510405）

0 引言

隨著建筑的發(fā)展需要，現(xiàn)代建筑的功能要求越來(lái)越復(fù)雜，出現(xiàn)了各種綜合連體建筑。為了滿足各部分主體結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系和使用要求，常在主體部分和附屬部分之間設(shè)置連廊，形成帶連廊的結(jié)構(gòu)形式。帶連廊的建筑結(jié)構(gòu)是目前建筑中常用的一種建筑結(jié)構(gòu)形式。在連廊與主體間的連接方式主要采用以下幾種處理方式：剛性連接、鉸接連接、滑動(dòng)連接、柔性連接[1]。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)中規(guī)定：連接體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)宜采用剛性連接[2]。為此，在連接方式選擇上以連廊與主體結(jié)構(gòu)剛性連接的偏多。剛性連接使各相連主體結(jié)構(gòu)之間相互影響而出現(xiàn)耦連現(xiàn)象，也使連接部位的應(yīng)力變得非常復(fù)雜。歷次的地震震害也表明，連廊結(jié)構(gòu)在中、強(qiáng)地震作用下極易與主體結(jié)構(gòu)脫離，發(fā)生整體塌落現(xiàn)象。這使連廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)難題。目前，我國(guó) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）對(duì)設(shè)連廊的復(fù)雜體型建筑的設(shè)計(jì)還缺乏充分的技術(shù)指引[3]。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，包括對(duì)多塔樓高層建筑連廊結(jié)構(gòu)的連接方式進(jìn)行理論分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[4]；探討連接體位置發(fā)生變化對(duì)結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響等[5]。

本文采用了一種介于剛接與滑動(dòng)連接之間的連接方式——橡膠隔震支座的柔性連接[6]，結(jié)合實(shí)際工程，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性連接做法。探討了柔性連接對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的改善和提高建筑的抗震性能的有效性；采用SAP2000 Nonlinear結(jié)構(gòu)分析程序，對(duì)框架連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)連廊采用柔性連接和剛性固結(jié)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，可為帶連廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該工程為多層框架連廊結(jié)構(gòu)，包括2棟5層的普通鋼筋混凝土廠房主體結(jié)構(gòu)和位于中間的1棟5層的普通鋼筋混凝土附屬樓，平面布置如下圖1所示。廠房主體地面以上高度為24.6 m，附屬樓地面上高度為23.6 m，地下高度均為1.4 m。但是附屬樓與廠房主體每層都存在一定的高差，形成了錯(cuò)層。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，兩棟廠房主體與附屬樓兩端之間均沿豎向設(shè)有3座獨(dú)立的鋼結(jié)構(gòu)連廊，形成對(duì)稱的連廊結(jié)構(gòu)。3座連廊的標(biāo)高分別為6.2 m、14.1 m和18.6 m，連廊兩端標(biāo)高一致，連廊跨度為17.0 m，寬度為25.2 m。結(jié)構(gòu)的立面示意圖如下圖2所示。

2 柔性支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖1 結(jié)構(gòu)的平面布置圖Fig.1 Plane layout of the structure

圖2 連廊結(jié)構(gòu)的立面圖Fig.2 Elevation view of corridor structure

該工程的柔性連接采用鉛芯疊層橡膠支座，設(shè)置在連廊與主體結(jié)構(gòu)的連接處，每個(gè)連廊與主體間均通過(guò)8個(gè)橡膠柔性支座連接。柔性支座選取LRB500-G4-Tr100-C90型號(hào)，其力學(xué)性能參見(jiàn)下表1。

柔性支座的連接構(gòu)造如下：柔性支座上端與連廊的縱向主梁相連，支座下端板與主體結(jié)構(gòu)柱伸出的牛腿相連；柔性支座與連廊及主體結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)螺栓連接。柔性支座在大震作用下在平面內(nèi)應(yīng)能自由變形為避免連廊與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，在支座四周均預(yù)留有300 mm的空隙，與豎直固定物間的脫開(kāi)距離不得小于15 mm。為了防止柔性支座在罕遇地震作用下發(fā)生過(guò)大的變形，柔性支座四角處各設(shè)置一個(gè)阻尼限位條，以防止柔性支座產(chǎn)生過(guò)大位移而使連廊產(chǎn)生塌落。柔性連接節(jié)點(diǎn)大樣如圖3所示。

表1 柔性支座力學(xué)性能參數(shù) (LRB500-G4)Table 1 Mechanical property parameters of flexible support(LRB500-G4)

圖3 連廊柔性支座節(jié)點(diǎn)大樣詳圖Fig.3 Structural drawing of flexible bearing

3 柔性支座在風(fēng)荷載作用下的計(jì)算

考慮到連廊在順橋向所受的風(fēng)荷載較小，本文只進(jìn)行了連廊側(cè)迎風(fēng)面風(fēng)荷載的計(jì)算，由于對(duì)稱，兩端的連廊受力相同，表2為1#與2#樓之間左端連廊風(fēng)荷載迎風(fēng)面 （X向）計(jì)算結(jié)果，其他各處連廊計(jì)算結(jié)果與此相同。表中Fk為單個(gè)連廊總的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，ΣKeq（50%）為連廊柔性支座變形為50%的總等效剛度，δ為風(fēng)荷載作用下柔性支座水平剪切變形。

表2 1#與2#樓之間連廊風(fēng)荷載迎風(fēng)面 （X向）計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of wind load windward side (X direction)between 1#and 2#

4 柔性支座在溫度作用下的計(jì)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將連廊簡(jiǎn)化為一軸向桿件，計(jì)算其在溫度荷載作用下的軸向變形，溫度變化按±20℃變化進(jìn)行水平變形計(jì)算。

1#樓與 2#樓之間連廊 （LA1、 LA2、 LA3）：

每個(gè)柔性支座順橋向的水平變形為4.08/2=2.04 mm。由于連廊對(duì)稱，各端在相同標(biāo)高位置處的連廊柔性支座在溫度作用下的軸向變形相同。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

該多層框架連廊建筑屬丙類建筑，位于設(shè)防烈度為7度的地震區(qū)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，主體框架抗震等級(jí)為二級(jí)。用SAP2000 Nonlinear程序進(jìn)行了結(jié)構(gòu)三維空間有限元時(shí)程分析。采用空間桿件模型，結(jié)構(gòu)中柔性支座的非線性屬性采用隔震支座 （Isolator1）單元來(lái)模擬。輸入了El Centro-EW、El Centro-NS、North Tar-360、Taft-EW、Taft-NS波共5條實(shí)際地震記錄的天然波，還輸入了與實(shí)際場(chǎng)地相符合的3條人工合成加速度時(shí)程的場(chǎng)地波，分別為WAVE1、WAVE2、WAVE3波。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如下圖4所示。

5.1 結(jié)構(gòu)自振周期與振型參與系數(shù)

連廊和主體結(jié)構(gòu)分別采用柔性支座連接和固接時(shí)，結(jié)構(gòu)前12階周期和振型參與系數(shù)見(jiàn)表3。

圖4 結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算模型Fig.4 Three-dimensional finite element calculation model of structure

表3 連廊柔性連接和固接時(shí)結(jié)構(gòu)的周期和振型參與系數(shù)Table 3 Periods and model participation factors of structure as corridor with flexible or fixed connection

從SAP2000分析后顯示的各階振型得知：結(jié)構(gòu)的振動(dòng)以各個(gè)單體的第一振型為主，其中前3階振型為中間單體的振動(dòng)，4～6階振型為兩邊對(duì)稱主體的振動(dòng)；且兩端柔性連接的第一周期比固結(jié)連接方式大10.09%。結(jié)合周期計(jì)算公式可說(shuō)明：固結(jié)連接方式的結(jié)構(gòu)整體剛度比柔性連接方式的要大，兩端柔性連接的結(jié)構(gòu)整體剛度相對(duì)要小些。連廊和主體結(jié)構(gòu)采用柔性連接時(shí)的周期比采用固接時(shí)稍有增加。

5.2 加速度反應(yīng)分析

小震激勵(lì)下，連廊和主體之間分別采用柔性連接和固接時(shí)，在8條地震波作用下主樓結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)平均值見(jiàn)圖5。當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)輸入罕遇大震激勵(lì)時(shí)，分別采用柔性連接和固接時(shí)的主樓結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖5 小震作用下固接和柔性連接主樓結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)對(duì)比圖Fig.5 Comparison of accelerations of structure with fixed or flexible connection under small earthquake

圖6 大震作用下固結(jié)和柔性連接主樓結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of accelerations of structure with fixed or flexible connection under strong earthquake

通過(guò)固結(jié)和柔性連接主體結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)平均值圖比較可知：連廊采用柔性連接時(shí)樓層的加速度反應(yīng)比采用固接時(shí)的小，說(shuō)明采用柔性連接大多數(shù)樓層的加速度值是減小的。

5.3 位移反應(yīng)分析

小震作用下，連廊和主體之間分別采用柔性連接和固接時(shí)，在8條地震波作用下主樓結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)平均值見(jiàn)圖7；當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)輸入罕遇大震激勵(lì)時(shí)，分別采用柔性連接和固接時(shí)的主樓結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)對(duì)比如圖8所示。

圖7 小震作用下固接和柔性連接時(shí)主樓結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of displacements of structure with fixed or flexible connection under small earthquake

圖8 大震下固接和柔性連接時(shí)主樓結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對(duì)比圖Fig.8 Comparison of displacements of structure with fixed or flexible connection under strong earthquake

通過(guò)固結(jié)和柔性連接主體結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)對(duì)比可知：柔性連接的層間位移反應(yīng)比剛性固結(jié)的要?。徊捎萌嵝赃B接后，層間位移有一定幅度的減小。不同連接方式的層間位移反應(yīng)平均值的圖形形狀大體一致，連廊位置處的層間位移較大，說(shuō)明由于連廊的存在，使結(jié)構(gòu)沿豎向剛度有突變，但是采用柔性連接，這種趨勢(shì)得到改善，能有效的削減由于剛度突變而造成的薄弱部位存在現(xiàn)象。

5.4 柔性支座的大震反應(yīng)

采用時(shí)程分析法，對(duì)帶連廊的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了7度大震計(jì)算，表4及表5為8種地震波在X向、Y向輸入下柔性支座的水平剪切變形反應(yīng)。

表4 各柔性支座在大震X向地震波輸入下X向位移反應(yīng)值Table 4 Displacement of flexible bearings with seismic wave input in X direction

表5 各柔性支座在大震Y向地震波輸入下Y向位移反應(yīng)值Table 5 Displacement of flexible bearings with seismic wave input in Y direction

從表中計(jì)算的各柔性支座在大震下的位移反應(yīng)值均沒(méi)有超過(guò)柔性支座的水平極限變形限值275 mm，這表明，橡膠柔性支座的允許最大水平位移仍大于罕遇地震變形需求的位移，柔性支座有足夠的安全裕量。

5.5 結(jié)構(gòu)基底剪力分析

在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大基底剪力見(jiàn)下表6。

表6 小震時(shí)結(jié)構(gòu)最大基底剪力Table 6 Maximum base shear under small earthquake

從表可以看出，由于采用柔性連接,結(jié)構(gòu)的約束產(chǎn)生了改變，在小震作用下結(jié)構(gòu)的最大基底剪力，柔性連接時(shí)的最大基底剪力明顯比固結(jié)連接時(shí)的小。由表可見(jiàn)，采用柔性連接后最大基底剪力平均減小了28.54%。

5.6 柔性支座的滯回性能和結(jié)構(gòu)耗能性能分析

從歷年的震害分析中工程師越來(lái)越意識(shí)到：強(qiáng)度和位移不能完全反映地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。1926年Housner提出了能量法概念，用地震能量在結(jié)構(gòu)中的傳遞、吸收與轉(zhuǎn)化情況來(lái)反映結(jié)構(gòu)破壞的情況[7]。從能量角度而言,減小地震破壞的基本原則主要是以適當(dāng)?shù)姆绞綔p小或消耗地震輸入的能量[8]。

在結(jié)構(gòu)中采用柔性連接來(lái)耗能,如橡膠墊、阻尼器等,隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，耗能構(gòu)件或消能裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼[9]，利用這些耗能元件的阻尼及滯回耗能來(lái)減小地震能量。計(jì)算時(shí)要考慮橡膠墊的非線性性能。圖7為小震作用下柔性連接時(shí)隔震支座的剪力-變形滯回曲線圖。從圖中可以看出,隔震支座的滯回能大于零，且滯回環(huán)比較飽滿，在地震時(shí)耗能元件表現(xiàn)了良好的耗能性能。這表明柔性連接是對(duì)抗震是有利的。

圖7 小震作用下地震總輸入能量和滯回特性Fig.7 Earthquake total input energy and hysteresis behavior under minor earthquake

6 結(jié)論

采用SAP2000 Nonlinear結(jié)構(gòu)分析程序，對(duì)該多層框架連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，通過(guò)對(duì)連廊采用柔性連接和剛性固結(jié)進(jìn)行對(duì)比分析，可得到如下結(jié)論：

（1）在風(fēng)荷載和溫度荷載作用下，支座水平剪切變形較小，支座未進(jìn)入屈服狀態(tài)，處于彈性階段。

（2）連廊采用柔性連接時(shí)，連體結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，樓層加速度和層間位移減小，基底剪力明顯減小，結(jié)構(gòu)在連廊連接處的受力狀況得到改善。

（3）柔性連接構(gòu)件具有一定的耗能性能，能起到耗散地震能量的作用，提高了連體結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。

（4）采用柔性連接來(lái)處理連廊與主體之間的連接，能改善連體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)，提高連體建筑的抗震性能。

因此，建議在帶連廊的連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，宜優(yōu)先考慮選用柔性支座連接方式。

[1]刁云云，黃襄云，劉堅(jiān).帶連廊結(jié)構(gòu)柔性連接體系的研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2007.

[2]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]陳偉軍，劉永添，蘇艷桃.帶連廊高層建筑連接方式設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，3(1)：73-76.

[4]黃襄云，刁云云，譚平，等.多塔樓高層建筑連廊結(jié)構(gòu)的柔性連接設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2007，12(27)：112-118.

[5]杜永峰，李春鋒.連體位置對(duì)單軸對(duì)稱連體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響[J].四川建筑科學(xué)研究，2009，2（35）：157-160.

[6]沈朝勇，徐麗，金建敏.某大廈多座連廊柔性支座計(jì)算分析和設(shè)計(jì)[J].國(guó)外建材科技， 2005,2(26)：70-72.

[7]HousnerGW,Lim it design of structure of resist earthquake[C]//Proc.Of 1 WCEE,Berkeley,CA,1956.

[8]黨 育，杜永峰，李 慧.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工指南[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2007.

[9]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社，1997.