傅大寶

（福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 350108）

引言

框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)是指將框筒結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土核心筒替換成支撐框架核心筒的新型結(jié)構(gòu)體系。由于該結(jié)構(gòu)體系目前在國內(nèi)的應(yīng)用鮮見報道，因此對其設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。

基于性能的抗震設(shè)計方法是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計一個重要的發(fā)展方向［1，2］。該方法通過選取合理的性能目標(biāo)，劃分結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不同等級的抗震性能，經(jīng)論證（含試驗(yàn)和計算分析）后，判斷結(jié)構(gòu)是否達(dá)到既定抗震目標(biāo)，以保證結(jié)構(gòu)安全。近年來，基于性能的抗震設(shè)計方法日益得到工程界的關(guān)注，并在高層超限建筑設(shè)計中廣泛應(yīng)用［3，4］。徐培福、戴國瑩［5］較早提出超限高層建筑的性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)及實(shí)施性能設(shè)計的主要方法。戴國華［6］等人提出一套符合我國規(guī)范的基于性能的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法。杜東升等［7］采用性能化設(shè)計方法對無錫蘇寧廣場北樓進(jìn)行設(shè)計。采用基于性能的抗震設(shè)計方法不僅可以避免抗震安全隱患，而且有助于新結(jié)構(gòu)體系、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用。

本文以閩投營運(yùn)中心為例，按照性能設(shè)計的步驟進(jìn)行抗震設(shè)計，考察結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在不同地震作用下的承載能力和變形狀況，并與既定的性能目標(biāo)進(jìn)行對比評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 工程案例

1.1 工程概述

閩投營運(yùn)中心（如圖1所示）位于福州市古田路南側(cè)，擬建1棟辦公樓（高度129.55m）、1棟酒店（高度 99.55m）和 5層商業(yè)裙樓（高度23.45m）。結(jié)構(gòu)地下室共4層，實(shí)際開挖深度約18.5m，與地鐵車站相連。地鐵車站采用明挖施工，基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式，實(shí)際開挖深度約16.0m。

閩投營運(yùn)中心的工程特點(diǎn)在于本工程與地鐵車站貼建，場地狹小且地鐵車站已開工。為最大限度降低本工程基坑開挖對地鐵車站的不利影響，本工程采用全逆作法施工。

由于傳統(tǒng)框筒結(jié)構(gòu)在全逆作法施工時，地下室部分剪力墻需采用后澆施工或立柱托換，施工難度大，而且施工質(zhì)量難以保證。為保證閩投營運(yùn)中心逆作法的施工質(zhì)量，確保地鐵車站施工安全，本工程將框架-核心筒結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土核心筒替換成支撐框架筒，從而形成框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系。

圖1 閩投營運(yùn)中心Fig.1 Mintou Operation Center

以閩投營運(yùn)中心的辦公樓為例進(jìn)行抗震性能設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖2所示，結(jié)構(gòu)共31層。外框架為31.4m×31.4m的正方形，支撐框架筒為13.4m×13.4m的正方形。主梁采用型鋼混凝土，外框架柱采用圓鋼管混凝土柱，支撐筒采用矩形鋼管混凝土柱和鋼支撐，鋼支撐布置如圖3所示。各層樓板厚度均為120mm，樓面活載為3.5kN／mm2。辦公樓所在地的抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），場地類別III類，設(shè)計地震分組第三組，特征周期0.65s，抗震設(shè)防為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。多遇地震作用下結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04，設(shè)防地震和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面Fig.2 Plan of standard floor

圖3 鋼支撐布置Fig.3 Steel braces arrangement

1.2 有限元建模

1.材料模型

鋼管混凝土的鋼材采用三折線彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，約束混凝土采用考慮套箍系數(shù)的三折線應(yīng)力 -應(yīng)變曲線［12］，鋼支撐的鋼材采用拉、壓強(qiáng)度不同的三折線應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2.構(gòu)件模型

梁和鋼支撐采用集中塑性鉸模型，梁采用M鉸（如圖4所示），鋼支撐采用P鉸。PERFORM-3D軟件中，集中塑性鉸模型是通過在構(gòu)件彈塑性發(fā)展區(qū)設(shè)置塑性鉸單元來反映構(gòu)件的塑性承載力，而其他區(qū)域反映彈性承載力。鋼管混凝土柱采用彈塑性纖維模型模擬。

圖4 塑性區(qū)梁單元示意Fig.4 Beam with plastic zone

構(gòu)件的性能水準(zhǔn)由離散的三個性能點(diǎn)，立即使用（IO）、生命安全（LS）和防止倒塌（CP）組成。三個性能點(diǎn)的定性判別標(biāo)準(zhǔn)分別為：

（1）立即使用（IO）：地震后不間斷運(yùn)行，稍加修理后可立即使用。

（2）生命安全（LS）：地震后間斷運(yùn)行，經(jīng)適當(dāng)修理后可以繼續(xù)使用。

（3）防止倒塌（CP）：地震時嚴(yán)重破壞，但仍未倒塌，地震后幾乎不能繼續(xù)使用。

利用三個性能點(diǎn)，構(gòu)件可分為四個性能段（圖5）：彈性控制性能段、運(yùn)行控制性能段、破壞控制性能段和有限安全性能段。圖中OP為運(yùn)行正常性能點(diǎn)，縱坐標(biāo)Q／Qy為承受荷載與屈服荷載比值，橫坐標(biāo)θ為轉(zhuǎn)角，Δ為位移。構(gòu)件的鉸參數(shù)及性能點(diǎn)依據(jù)FEMA356計算［13］。

圖5 性能水準(zhǔn)Fig.5 Performance states

1.3 抗震性能目標(biāo)

辦公樓高度未超過框筒結(jié)構(gòu)A級高度（130m），屬于規(guī)則結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）并經(jīng)專家論證，確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為D級［5，10］。不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)如表1所示。其中，［θe］和［θp］分別為 1／800和 1／100（參考框筒結(jié)構(gòu)的取值）。

表1 性能目標(biāo)的確定Fig.1 Determination of performance objectives

2 計算分析

2.1 地震波選取

選取7組地震波（H1～H7），采用雙向地震輸入，依次選取結(jié)構(gòu)的X向（?軸方向）和Y向（①軸方向）作為主地震方向。加速度峰值按照抗規(guī)1∶0.85的比例進(jìn)行調(diào)整。多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震的主方向加速度峰值分別為35cm／s2、100cm／s2和220cm／s2。對地震波有效性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。圖中，平均譜為7條地震波反應(yīng)譜的平均值，可見，平均譜與設(shè)計譜在統(tǒng)計意義上相符。

圖6 設(shè)計反應(yīng)譜和時程反應(yīng)譜對比Fig.6 Comparison of design response spectrum and time-history response spectrum

2.2 不同地震作用層間位移角

圖7 為多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角，圖中規(guī)范值即《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定的值，已列于表1中?？梢钥闯?，X向和Y向的層間位移角分別為1／809和1／926。此時，結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均處于彈性工作階段?？梢?，結(jié)構(gòu)性能滿足表1多遇地震的要求。

圖8為設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角?？梢钥闯?，X向和Y向的層間位移角分別為1／286和1／333，滿足表1的要求。

圖9為罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角?？梢钥闯觯琗向和Y向的層間位移角分別為1／159和1／188，滿足表1的要求。

圖7 層間位移角響應(yīng)（多遇地震）Fig.7 Story drift ratio（frequence earthquake）

圖8 層間位移角響應(yīng)（設(shè)防地震）Fig.8 Story drift ratio（design earthquake）

圖9 層間位移角響應(yīng)（罕遇地震）Fig.9 Story drift ratio（rare earthquake）

3 重要構(gòu)件性能分析

3.1 底部框架柱

在設(shè)防地震作用下，底部框架柱不發(fā)生屈服。在罕遇地震作用下，底部框架柱依然保持彈性工作狀態(tài)。可見，框架柱滿足表1關(guān)鍵構(gòu)件的性能要求。

3.2 鋼支撐

在設(shè)防地震作用下，鋼支撐開始發(fā)生屈服，部分構(gòu)件發(fā)生中度損壞，屈服的鋼支撐主要集中在結(jié)構(gòu)底部。在罕遇地震作用下，更多的鋼支撐屈服構(gòu)件發(fā)生中度損壞，屈服的鋼支撐主要集中在結(jié)構(gòu)底部和2／3結(jié)構(gòu)高度處?？梢姡撝螡M足表1耗能構(gòu)件的性能要求。

此外，從鋼支撐的屈服狀態(tài)可以看出，大部分鋼支撐是發(fā)生中度破壞，而處在輕度破壞的構(gòu)件較少。這主要是因?yàn)殇撝吻话闶鞘軌呵?，變形能力較差。一旦鋼支撐發(fā)生受壓屈曲，受壓變形直接到達(dá)破壞控制性能段。

3.3 框架梁

在設(shè)防地震作用下，框架梁不發(fā)生屈服。在罕遇地震作用下，部分框架梁發(fā)生輕微破壞?？梢姡蚣芰簼M足表1罕遇地震的要求。

4 抗震設(shè)計建議

1.根據(jù)抗規(guī)要求，抗震性能等級為D的結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造仍按常規(guī)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定采用。

2.從結(jié)構(gòu)的動力彈塑性結(jié)果上看，結(jié)構(gòu)薄弱層出現(xiàn)在非底部加強(qiáng)區(qū)與底部加強(qiáng)區(qū)的交界處，鋼支撐首先出現(xiàn)受壓屈曲。為保證薄弱層具備足夠的變形能力且不轉(zhuǎn)移，可將鋼支撐替換成防屈曲約束支撐。

5 結(jié)論

將基于性能設(shè)計的方法應(yīng)用于閩投營運(yùn)中心，考察結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震下的內(nèi)力及變形特征，判斷結(jié)構(gòu)是否達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)，以驗(yàn)證框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系的合理性。根據(jù)有限元分析結(jié)果，得到主要結(jié)果如下：

1.確定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為D級。其中，框架柱和底部加強(qiáng)區(qū)鋼支撐為關(guān)鍵豎向構(gòu)件，非底部加強(qiáng)區(qū)鋼支撐和框架梁為主要耗能構(gòu)件。

2.在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1／809、1／286和1／159，可見結(jié)構(gòu)變形滿足既定性能目標(biāo)。

3.在多遇地震作用下，所有構(gòu)件均保持彈性工作狀態(tài)。在設(shè)防地震作用下，部分鋼支撐發(fā)生中度破壞。在罕遇地震作用下，更多的鋼支撐屈服構(gòu)件發(fā)生中度損壞；框架梁發(fā)生輕微破壞，框架柱依然保持彈性控制性能段。可見，結(jié)構(gòu)構(gòu)件轉(zhuǎn)角變形滿足既定性能目標(biāo)。

4.為保證結(jié)構(gòu)薄弱層具備足夠的變形能力且不轉(zhuǎn)移，可將鋼支撐替換為防屈曲約束支撐。

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