朱思其, 楊 明, 張 明, 賀 俊
(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司, 四川成都 610011)
本項目鋼連板結(jié)構(gòu)用于連接相鄰的三棟商業(yè)裙房屋面,形成整體屋面景觀花園。鋼連板結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則,呈倒Y型,縱向長度約90 m,最大寬度約44 m;裙房屋面標(biāo)高為16.9 m、23.45 m,屋面間高差6.55 m,景觀造型隨高差呈臺階狀布置。為滿足景觀種植及美觀需求,鋼連板上覆土1.2 m(局部0.8 m),中間設(shè)置景觀洞口。
因鋼連板平面不規(guī)則性及開大洞等特點,采用布置靈活的梁式體系,在跨度大的位置布置桁架??紤]鋼連板僅一層,且連接的各單體體型及動力特性差異。鋼連板的梁(桁架)與主體結(jié)構(gòu)采用弱連接,即采用橡膠隔震支座連接。為減小不規(guī)則鋼連板的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng),梁(桁架)兩端均設(shè)置隔震支座。構(gòu)造上,鋼連板邊界設(shè)置隔離縫以實現(xiàn)地震作用下結(jié)構(gòu)水平向自由變形。因景觀需求,鋼連板所連接各單體存在高差形成了折梁布置。折梁傾角盡可能與景觀階梯坡度一致,以減少二次結(jié)構(gòu)耗材及自重。鋼連板結(jié)構(gòu)平面布置詳圖1,圖中陰影區(qū)域表示斜板范圍。典型梁、桁架立面詳圖2。
圖1 鋼連板結(jié)構(gòu)布置平面
圖2 典型梁、桁架立面
鋼連板結(jié)構(gòu)的桁架凈高均為3.5 m,桿件截面均為焊接箱型;梁截面采用焊接H型鋼,主梁(桁架)鋼材型號均為Q390,現(xiàn)澆混凝土樓板強(qiáng)度等級為C30,板厚180 mm。屋面附加恒載考慮覆土及二次結(jié)構(gòu)取值為26 kN/m2、19 kN/m2;活荷載取值為4.0 kN/m2。
項目抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防(乙類),設(shè)防烈度為7度(0.10g),場地類別為II類場地,設(shè)計地震分組為3組。具有附加恒載大,跨度大(最大跨度28 m)特點,按照J(rèn)GJ 99-2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算豎向地震作用。此外,作為梁支座的主體結(jié)構(gòu)梁、柱應(yīng)按照中震抗彎彈性,大震抗剪彈性設(shè)計。
在梁(桁架)端部設(shè)置隔震支座,通過隔震支座較小的水平剛度改變結(jié)構(gòu)剛度特性,延長自振周期,以及支座中的鉛芯阻尼耗散地震能量,到達(dá)隔離水平地震作用的目的。但隔震支座豎向剛度大,因而不能隔離掉豎向地震。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)隔震支座一般包括隔震橡膠支座類、摩擦擺支座類、彈簧阻尼支座類等。根據(jù)項目自身特點,選用隔震橡膠支座。
隔震支座設(shè)計步驟包含支座初選及罕遇地震下變形驗算兩部分。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》12.2.3條規(guī)定,隔震支座重力荷載代表值下的壓應(yīng)力不超過支座的長期面壓限值。初步以支座承受壓應(yīng)力(重力荷載代表值)的1.2倍,預(yù)估出支座型號及其力學(xué)性能如表1。
表1 鉛芯隔震橡膠支座力學(xué)性能
注:1.表中所列隔震墊承載力系以允許承載力12 MPa(乙類)計算所得,其它類建筑請換算;
2.隔震支座的極限水平變位按規(guī)范取有效直徑的0.55倍和橡膠總厚度3倍的較大值。
采用YJK軟件驗算罕遇地震作用下支座變形。計算隔震支座變形需求,大震等效彈性分析是最便捷、快速的方法。拼接三棟商業(yè)裙房以及連板的整體模型,前處理中通過定義連接屬性模擬隔震支座,單點約束將支座屬性賦于柱底節(jié)點,完成隔震支座模擬。調(diào)整以下參數(shù):全樓阻尼比7 %,連梁剛度折減系數(shù)0.3,邊、中梁剛度放大系數(shù)1.2,周期折減系數(shù)1.0,考慮雙向地震作用。用彈性分析方法近似模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性后剛度及耗能的狀態(tài)。計算得到罕遇地震下支座位移如表2。
表2 罕遇地震下支座變形需求 mm
由表2可知,隔震支座變形限值均大于罕遇水準(zhǔn)雙向地震變形需求。另外,考慮豎向地震時,罕遇地震作用下的豎向壓應(yīng)力小于支座的短期面壓,且無支座拉應(yīng)力出現(xiàn),隔震支座選取滿足要求。
項目樓板折型布置,且梁跨度不均勻,板中間開大洞,以上特點導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)受力分析采用MIDAS GEN軟件,采用殼單元模擬樓板,面內(nèi)面外厚度180 mm,網(wǎng)格劃分尺寸1 m×1 m。根據(jù)上述所選隔震支座性能,完成軟件中邊界條件定義。由于水平地震作用已經(jīng)通過隔震支座隔離,以下分析主要針對結(jié)構(gòu)承受豎向荷載(包括豎向地震)。
板的主拉、主壓力如圖3所示。圖中,洞口周圍,桁架位置及梁跨度變化的位置,板中存在較大拉(壓)力。最大拉力為1 800 kN/m,,最大壓力為4 800 kN/m。假設(shè)板中無鋼筋,軸力由混凝土獨自承擔(dān),則混凝土最大拉應(yīng)力為10 MPa,混凝土開裂,最大壓應(yīng)力為27 MPa,混凝土壓碎。平板位置軸力很小,可忽略不計。
(a)板主拉力
(b)板主壓力圖3 板主拉、壓內(nèi)力
形成上述斜板受力的主要原因:(1)梁、桁架構(gòu)件抗彎剛度差異,板撓度分布不均勻,部分荷載以軸力形式在板平面內(nèi)傳遞;(2)桁架上弦桿受壓,板與梁協(xié)調(diào)變形共同受力,因此桁架上弦處板受壓明顯。
板中存在較大主拉、壓力,梁與板協(xié)調(diào)變形,梁受力狀態(tài)也將區(qū)別于一般的平板連體結(jié)構(gòu)。因此,建立無板單元的模型,板重及其他板荷按照常規(guī)導(dǎo)荷施加在梁上。著重考察有板模型和無板模型梁彎矩及桁架弦桿軸力的差異。兩個模型的梁彎矩(桁架下弦桿軸力)結(jié)果如圖4所示。圖中編號16~22,結(jié)構(gòu)樓板平置,有板和無板模型構(gòu)件內(nèi)力基本大小一致;編號1~15,結(jié)構(gòu)樓板折型布置,有板和無板模型構(gòu)件受力差異最大30 %,普遍超過10 %。從內(nèi)力分布可看出,有板模型各梁(桁架)內(nèi)力差異明顯小于無板模型,因為斜板改變部分荷載傳遞路徑,增強(qiáng)了各梁(桁架)間協(xié)同受力。
圖4 有板與無板模型桿件內(nèi)力比較
以上梁、板受力特點可得出如下啟示:
(1)斜板對梁受力的影響是不可忽略的,工程中出現(xiàn)類似斜板的情況,應(yīng)該在模型中精細(xì)模擬板單元。又考慮到實際項目中,混凝土板與鋼梁(桁架)通過栓釘連接,極限情況可能出現(xiàn)梁、板滑移,則受力介于有板與無板模型之間。因此,從項目安全角度出發(fā),取無板模型與有板模型作包絡(luò)設(shè)計。
(2)設(shè)計時應(yīng)充分考慮板平面內(nèi)軸力(圖3受力較大位置)。本項目樓板雙層雙向配筋,加強(qiáng)洞口周圍及桁架處板配筋。此外,混凝土板和鋼構(gòu)件界面抗剪設(shè)計應(yīng)充分考慮板內(nèi)軸力,防止出現(xiàn)滑移。項目中,用180 mm厚混凝土全截面受壓得到的縱向剪力計算抗剪栓釘個數(shù),每隔200 mm設(shè)置2根4.6級φ19 mm的栓釘。
鋼連板結(jié)構(gòu)按照豎向振型分解反應(yīng)譜法求解豎向地震作用,豎向地震影響系數(shù)按規(guī)范取水平地震影響系數(shù)的65 %。在MIDAS GEN中定義反應(yīng)譜函數(shù)及反應(yīng)譜工況并自動生成荷載組合,如此軟件按照考慮和不考慮地震作用的荷載組合作包絡(luò)設(shè)計。查看所有構(gòu)件設(shè)計信息,所有構(gòu)件均按不考慮豎向地震作設(shè)計,故豎向地震對構(gòu)件設(shè)計不起控制作用。統(tǒng)計各梁豎向地震下內(nèi)力與重力荷載代表值內(nèi)力的比值(豎向地震作用系數(shù)),基本小于0.05。
采用ABAQUS對節(jié)點進(jìn)行分析并指導(dǎo)設(shè)計,軟件中焊接鋼板用殼單元S4R模擬。對于折梁彎折處構(gòu)造(圖5),第一種構(gòu)造的梁翼緣不倒角,三根加勁肋布置成呈扇形,最大Mises應(yīng)力在梁上翼緣(332 MPa);第二種構(gòu)造的梁上翼緣倒角半徑1 m,下翼緣倒角半徑2.8 m,三根加勁肋布置呈扇形,最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在梁下翼緣(320 MPa);第三種構(gòu)造的梁上下翼緣倒角半徑均為1 m,三根加勁肋平行布置,最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在梁上翼緣(251 MPa)。顯然,設(shè)計采用第三種構(gòu)造。
圖5 改進(jìn)前、后的折梁彎折點應(yīng)力
同理,桁架彎折點處構(gòu)造需平滑處理,并增強(qiáng)節(jié)點區(qū)域板件厚度,合理設(shè)置加勁肋,具體箱型桁架節(jié)點設(shè)計詳見文獻(xiàn)[3]。桁架節(jié)點受力分析經(jīng)ABAQUS驗證合理,板件Mises應(yīng)力均不超過300 MPa。典型節(jié)點大樣如圖6。
圖6 桁架典型節(jié)點構(gòu)造
除鋼構(gòu)件節(jié)點構(gòu)造外,保證連板結(jié)構(gòu)自身的整體性構(gòu)造也極為重要。本項目設(shè)置了連接梁上、下翼緣(桁架上、下弦)的支撐體系,加上前述抗剪栓釘?shù)脑O(shè)置,保證結(jié)構(gòu)在地震時具有良好的整體剛度。
通過上述鋼連板結(jié)構(gòu)的整體及節(jié)點受力分析,可得出如下主要結(jié)論:
(1)連接單體動力特性差異大,且所處樓層不高的連體結(jié)構(gòu),可采用與項目類似的弱連接形式。
(2)混凝土折板與鋼梁(桁架)協(xié)調(diào)受力,板增強(qiáng)了各梁(桁架)之間的協(xié)同受力,同時在板中產(chǎn)生較大軸力。工程上可采用有板模型與無板模型對構(gòu)件作包絡(luò)設(shè)計。針對折板的受力特點,需根據(jù)建立板單元的模型分析結(jié)果,對相關(guān)范圍樓板配筋加強(qiáng);并加強(qiáng)折板與鋼梁(桁架)之間的抗剪連接設(shè)計。
(3)折梁(桁架)在彎折點處應(yīng)力集中明顯,文章為解決類似構(gòu)造問題提供了一定的參考。