蘇 駿(華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200002)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng),文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,重點(diǎn)城市開(kāi)始興建滿足當(dāng)前文化傳播需求的演藝類場(chǎng)館[1]。因建筑功能需求,演藝類場(chǎng)館需要有大空間、高低錯(cuò)落的觀眾座席及大量的功能用房,造成演藝類場(chǎng)館的結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜[2],一般存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、構(gòu)件不連續(xù)、承載力突變、樓板大開(kāi)洞等超限問(wèn)題。這亦是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。同時(shí)大空間造成屋蓋結(jié)構(gòu)跨度大,需要同時(shí)控制屋蓋撓度和支座處的水平推力,成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn)。
演藝類場(chǎng)館人員量大,按 GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定為重點(diǎn)設(shè)防類建筑,因此對(duì)其抗震性能要求較高。在多遇地震作用下彈性分析的基礎(chǔ)上,一般需要進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性分析,從而對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有更加全面的判斷。
罕遇地震作用下的抗震性能分析需要考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力非線性響應(yīng),目前常采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法[3-4]。動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法可以同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性,給出結(jié)構(gòu)在地震作用中不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)展、塑性損傷狀況等。
江蘇某文化創(chuàng)意園的多功能演播廳位于江蘇省南京市仙林區(qū),地下 2 F,地上 6 F,屋面標(biāo)高為 32.8 m,水平投影尺寸為 128.0 m×100.0 m。項(xiàng)目基本抗震設(shè)防烈度為 7度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,Ⅱ 類場(chǎng)地,罕遇地震下的特征周期為 0.4 s。
根據(jù)建筑功能的需要,平面中央?yún)^(qū)域?yàn)檠莩鑫枧_(tái)區(qū),沿舞臺(tái)四周樓層布置看臺(tái),結(jié)構(gòu)呈環(huán)狀布置,中央舞臺(tái)演出區(qū)頂部采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。典型樓層平面和建筑剖面如圖1 所示。
演播廳下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。鋼屋蓋采用點(diǎn)式支承的雙向桁架結(jié)構(gòu)體系,橫向跨度為 81.0 m,縱向跨度為 99.0 m,如圖 2 所示。
鋼屋蓋的桁架形狀為梯形,中間區(qū)域桁架跨中高度為5.3 m,跨高比約為 15。鋼屋蓋下弦通過(guò)球型鋼支座支承在36 根型鋼混凝土框架柱上,其連接節(jié)點(diǎn)如圖 3 所示。
結(jié)構(gòu)典型剖面如圖 4 所示。鋼屋蓋在支座處產(chǎn)生的水平推力由外側(cè)水平框架梁受壓和內(nèi)側(cè)看臺(tái)斜梁受拉共同承擔(dān),并傳遞至內(nèi)外側(cè)框架柱上,使得內(nèi)側(cè)框架柱受拉,外側(cè)框架柱受壓。
為提高結(jié)構(gòu)抗扭能力,在結(jié)構(gòu)四周樓梯間處布置了鋼支撐,與鋼支撐相連的周邊框架內(nèi)設(shè)置有型鋼?;诮ㄖ⒚嫘Ч凸δ懿贾眯枰?,沿建筑外輪廓布置 20 根躍層斜柱,豎向傾角 ≤15°;內(nèi)部布置有一圈看臺(tái)斜梁,如圖 5 所示。
圖 1 建筑平剖面圖
圖 2 演播廳結(jié)構(gòu)三維模型
圖 3 鋼屋蓋與框架柱連接示意
圖 4 結(jié)構(gòu)剖面示意圖
圖 5 特殊構(gòu)件布置
以 JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》為依據(jù),結(jié)合抗震設(shè)防類別(乙類)、設(shè)防烈度(7 度)、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、震后損失和修復(fù)難易程度等因素,確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為 C 級(jí),罕遇地震下結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)見(jiàn)表 1。
表 1 罕遇地震下結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)
考慮鋼屋蓋的施工加載過(guò)程,運(yùn)用 Abaqus 軟件,采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能進(jìn)行分析。
在動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析中,梁、柱、支撐和桁架桿件均采用纖維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,考慮剪切變形和大應(yīng)變[5]?;炷敛牧喜捎脧椝苄該p傷本構(gòu)模型,在地震反復(fù)荷載作用下,當(dāng)混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后,其拉、壓剛度降低通過(guò)拉、壓損傷系數(shù)進(jìn)行描述。鋼材和鋼筋采用二折線動(dòng)力硬化本構(gòu)模型,并考慮反復(fù)荷載作用下的鋼材包辛格效應(yīng)。采用基于中心差分法的顯式積分方法進(jìn)行求解,保證計(jì)算過(guò)程的收斂性。
Abaqus、YJK 兩種軟件計(jì)算的前三階周期見(jiàn)表 2,兩種軟件計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本一致,說(shuō)明彈塑性分析模型與彈性設(shè)計(jì)模型保持一致。
表 2 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比
由于鋼屋蓋在自重下產(chǎn)生較大水平推力,導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大內(nèi)力,因此在實(shí)際施工中對(duì)鋼屋蓋自重下的水平推力進(jìn)行釋放。鋼屋蓋自重釋放與否的水平推力和位移對(duì)比見(jiàn)表 3,柱編號(hào)見(jiàn)圖 6。
表 3 水平推力和位移對(duì)比
圖 6 支撐鋼屋蓋柱編號(hào)
在分析中考慮了施工加載過(guò)程,即首先釋放鋼屋蓋支座水平位移,僅施加豎向約束,施加鋼屋蓋自重,得鋼屋蓋弦桿軸力見(jiàn)圖 7。再約束鋼屋蓋支座水平位移,施加鋼屋蓋附加恒載。
圖 7 鋼屋蓋自重作用下桁架內(nèi)力
根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,本項(xiàng)目在罕遇地震分析中采用 5 組天然波和 2 組人工地震波。所選7 組地震波的最大峰值均為 220 gal,有效時(shí)長(zhǎng)均滿足結(jié)構(gòu)第 1 周期 5~10 倍的要求,水平主、水平次、豎向輸入地震波峰值比為 1∶0.85∶0.65。
所選 7 組地震波的彈性時(shí)程分析基底剪力與 CQC 結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表 4,每組地震波的基底剪力平均值>CQC 的 65%且<135%。7 組地震波的基底剪力平均值>CQC 的 80% 并<120%。地震波平均譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比如圖 8 所示。典型結(jié)構(gòu)周期下的譜值相差 < 20%,滿足 GB 50011—2010要求。
表 4 地震波與 CQC 的結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比
圖 8 地震波平均譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比
罕遇地震彈塑性分析中,7 組地震波作用下結(jié)構(gòu)在 X、Y 兩個(gè)主方向基底剪力平均值分別為 160 143 kN 和 148 000 kN,對(duì)應(yīng)的剪重比分別為 20.1% 和 18.6%,均為罕遇彈性分析結(jié)果平均值的 0.79,見(jiàn)表 5。
表 5 彈性與彈塑性基底剪力對(duì)比
每組地震波作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角及其對(duì)應(yīng)的樓層號(hào)如表 6 所示。結(jié)構(gòu)在X、Y方向的層間位移角平均值的最大值分別為 1/178、1/155,均位于 6 層,滿足層間位移角≤1/50 的限值要求。
表 6 每組地震波對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角最大值
在施工步階段,屋蓋的施工順序如下。將屋蓋和周邊柱子連接,釋放屋蓋水平自由度,先施加自重,當(dāng)屋蓋在自重作用下完成變形后,再約束屋蓋的水平自由度,繼續(xù)施加附加恒載和 0.5 倍活載。在該工況下(輸入地震作用前),屋蓋的X向最大變形為 3.20 cm,Y向最大變形為4.66 cm,Z向最大變形為 32.57 cm,鋼屋蓋處于彈性階段,如圖 9 所示。
圖 9 鋼屋蓋變形
罕遇地震作用下少數(shù)躍層斜柱中混凝土發(fā)生輕微受壓損傷,柱內(nèi)鋼筋進(jìn)入輕微塑性,柱內(nèi)型鋼均未進(jìn)入塑性,躍層斜柱總體處于輕微損壞,如圖 10 所示。
圖 10 躍層斜柱
看臺(tái)斜梁及相連柱的混凝土無(wú)受壓損傷,3~4 層少數(shù)幾根斜梁內(nèi)鋼筋和型鋼產(chǎn)生輕度受拉損壞,其余構(gòu)件無(wú)損壞或輕微損壞,如圖 11 所示。
圖 11 看臺(tái)斜梁及相連柱損傷情況
鋼支撐均未進(jìn)入塑性,與鋼支撐相連框架中的鋼筋也未進(jìn)入塑性,抗震性能良好。部分支撐屋蓋的框架柱頂部混凝土發(fā)生輕微受壓損傷,柱內(nèi)鋼筋進(jìn)入輕微塑性,柱內(nèi)型鋼均未進(jìn)入塑性,總體抗震性能良好,如圖 12 所示。
圖 12 支撐屋蓋的型鋼柱
在罕遇地震作用下,X、Y方向主桁架在跨中的部分弦桿發(fā)生輕微塑性損傷,如圖 13 所示,鋼屋蓋整體抗震性能良好。
圖 13 鋼屋蓋塑性應(yīng)變
部分混凝土框架柱的柱頂混凝土發(fā)生輕度受壓損傷,柱內(nèi)鋼筋進(jìn)入輕微塑性,柱內(nèi)型鋼均未進(jìn)入塑性;少數(shù)框架梁中混凝土進(jìn)入輕微受壓損傷,梁中鋼筋進(jìn)入輕微塑性;框架柱和框架梁總體抗震性能均良好。樓板受拉開(kāi)裂明顯,受壓損傷較輕,板內(nèi)鋼筋進(jìn)入塑性,但塑性發(fā)展水平不高,樓板總體仍具有較好的承擔(dān)豎向荷載和傳遞水平地震的能力。
采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法,對(duì)此多功能演播廳項(xiàng)目進(jìn)行了抗震性能分析研究,基本結(jié)論如下。
(1)鋼屋蓋對(duì)下部結(jié)構(gòu)的水平推力較大,通過(guò)支座處水平約束后施加,消除了屋蓋自重下的水平推力,降低了對(duì)下部結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響。
(2)7 組地震波作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角平均值均<1/50,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。躍層斜柱、看臺(tái)斜梁以及支撐屋蓋框架柱均處于輕微損傷水平,鋼支撐未進(jìn)入塑性,其余框架處于輕度及以下?lián)p傷,滿足結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。
(3)鋼屋蓋在罕遇地震作用下,僅中部上下弦位置有少量桿件進(jìn)入輕微塑性,整體抗震性能良好。
本項(xiàng)目的抗震性能研究,可為其他類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)參考。