陸德龍，孫文波，2

（1、華南理工大學建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510641；2、華南理工大學土木與交通學院 廣州510641）

以往超長結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)中，但是隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及建筑美學的追求，近年來，越來越多的超長屋蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在大型體育場館、機場航站樓建筑、大型車站站房等建筑場所中。地震行波效應(yīng)對這種超長結(jié)構(gòu)會有一定的影響，因此行波效應(yīng)成為這些超長結(jié)構(gòu)必須考慮的設(shè)計因素［1-4］。

同時，對于大跨度公共建筑，地震作用可能會對其產(chǎn)生一定程度影響。對于超長屋蓋復雜結(jié)構(gòu)，不僅要進行地震行波效應(yīng)的影響分析，還需要對其抗震性能進行系統(tǒng)的專門研究和專項論證［5］。本文以某高架車站站房屋蓋為例，對超限設(shè)計中涉及到的抗震性能方面進行系統(tǒng)闡述。

1 工程概況

某高架車站站房位于廣州市白云區(qū)，站房總建筑面積約14.3萬m2，地下2層，地上4層，建筑總高度37 m（屋蓋最高點）。本車站站房功能和流線復雜，-7.2 m為出站夾層；±0.000 m 為承軌層及站臺層；4.7 m 為站臺層夾層；10.0 m為高架候車層；16.5 m為商業(yè)的高架夾層。16.5 m 以上為整片不分縫的屋蓋，屋蓋南北向長412 m，東西向?qū)?52 m。車站整體結(jié)構(gòu)和屋蓋結(jié)構(gòu)計算模型三維視圖如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)及屋蓋結(jié)構(gòu)三維視圖Fig.1 3D View of Integral and Roof Structural Calculation Model

本工程存在以下幾個不規(guī)則項：下部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、局部樓板不連續(xù)、局部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；由于建筑效果要求不設(shè)縫，屋蓋部分的結(jié)構(gòu)尺度很大，存在超長超限情況。按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》［6］要求，針對結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況和屋蓋的超長情況，設(shè)計應(yīng)采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法進行分析和論證。本文僅針對屋蓋結(jié)構(gòu)抗震性能方面的分析進行論述。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，50年設(shè)計基準期內(nèi)水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，Ⅱ類場地反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)部分設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0=1.1。

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系與荷載情況

2.1 屋蓋結(jié)構(gòu)布置

站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的內(nèi)部由直徑為1.6 m 的鋼管柱支承。南北向最大柱距28.5 m，東西向最大柱距64.0 m，結(jié)合屋面的幾何形態(tài)、采光要求以及下部支承結(jié)構(gòu)布置，站房屋蓋主體結(jié)構(gòu)分為中間屋蓋結(jié)構(gòu)、“波浪”造型結(jié)構(gòu)、光谷“花瓣”造型結(jié)構(gòu)3個部分，如圖2所示。

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Roof Structure Composition

屋蓋主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下。①柱網(wǎng)布置：站房東西向布置6 列鋼結(jié)構(gòu)支承柱，柱距分別為40.0 m、40.0 m、64.0 m、40.0 m、40.0 m；站房南北向典型柱距22.0 m、23.0 m、28.0 m、28.5 m。②中間屋蓋主體結(jié)構(gòu)：采用鋼結(jié)構(gòu)桁架+網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合形式，桁架截面為2.0 m×3.6 m，網(wǎng)架與桁架等高取為3.6 m。③“波浪”造型結(jié)構(gòu)：南北側(cè)“波浪”造型采用橫向主桁架+網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)形式，橫向主桁架最大跨度為40.0 m，桁架截面取為2.0 m×3.0 m，網(wǎng)架與桁架等高取為3.0 m。④光谷“花瓣”造型結(jié)構(gòu)：東西側(cè)光谷“花瓣”造型采用懸挑曲線形鋼梁+水平拉桿+拱組合結(jié)構(gòu)形式，為實現(xiàn)建筑效果，“花瓣”采用焊接箱形實腹鋼梁，并結(jié)合花瓣造型及受力特點變化截面高度，梁根部截面尺寸為0.4 m×1.5 m，最大截面為0.4 m×2.8 m；拉桿結(jié)構(gòu)采用焊接箱形實腹鋼梁，截面取為0.4 m×1.0 m；拱結(jié)構(gòu)采用焊接箱形實腹鋼梁，截面取為0.4 m×1.0 m。

2.2 風荷載及溫度作用

地面粗糙度為B 類，基本風壓W0當n=50 年時取0.5 kN/m2，當n=100年時取0.6 kN/m2。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［7］規(guī)定，廣州地區(qū)基本氣溫最低6 ℃，最高36 ℃，年平均氣溫21 ℃。合攏溫度取16～26 ℃。升溫時取30 ℃，降溫時取-30 ℃；其中，光谷部分為玻璃屋面，鋼結(jié)構(gòu)考慮太陽輻射，參考文獻［7］9.3.2條的條文說明，考慮表面溫度增加11 ℃，升溫為30+11=41 ℃。

3 抗震性能目標

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程：JGJ 3—2010》［8］第3.11 條，本工程結(jié)構(gòu)整體的抗震性能目標設(shè)定為C 級。屋蓋結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的性能目標如表1 所示。其中，關(guān)鍵構(gòu)件包括中間屋蓋主體結(jié)構(gòu)的橫向主桁架，“波浪”造型結(jié)構(gòu)的橫向主桁架和光谷“花瓣造型結(jié)構(gòu)”，如圖3?所示。一般構(gòu)件為“關(guān)鍵構(gòu)件”范疇以外的鋼桁架和網(wǎng)架，如圖3?所示。

表1 屋蓋結(jié)構(gòu)性能目標（設(shè)計基準期為50年）Tab.1 Roof Structure Performance Target（Design Base Period 50 Years）

圖3 屋蓋構(gòu)件Fig.3 Components of Roof

4 小震彈性時程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（廣東省標準）：DBJ 15-92—2013》4.3.4條和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）：GB 50011—2010》［9］第10.2.10條規(guī)定，本工程采用彈性時程分析法進行小震階段的補充分析。本工程屋蓋部分采用2 條天然波和1 條人工波，進行包絡(luò)設(shè)計。其中，天然波分別為Livermore-01（天然波1）、Whittier Narrows-01（天然波2），人工波為RH1TG040（人工波）。地震波峰值加速度根據(jù)設(shè)計使用年限50年調(diào)整為35 cm/s2。2個分量峰值加速度比值為主方向∶次方向=1.0∶0.85，阻尼比取0.03。主要計算結(jié)果如表2和表3 所示，考察屋蓋有代表性的柱子（見圖4）的層間位移角，結(jié)果如表4所示。

以上計算結(jié)果表明：①多遇地震時，根據(jù)3條地震波的時程包絡(luò)值進行設(shè)計，最大包絡(luò)值與反應(yīng)譜法的比值為133.32%；則采用振型分解反應(yīng)譜法放大1.33 倍計算結(jié)果為設(shè)計依據(jù)。②在多遇地震時程作用下，四角的柱位移角一致性不是很強，但是均能滿足混凝土框架結(jié)構(gòu)1/550的限值要求。

5 結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)分析

圖4 有代表性柱子具體位置Fig.4 Specific Location of Representative Columns

表2 小震作用下屋蓋柱底總剪力（X向為主）Tab.2 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Small Earthquake（X-direction is the Main Direction）

表3 小震作用下屋蓋柱底總剪力（Y向為主）Tab.3 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Small Earthquake（Y-direction is the Main Direction）

表4 X、Y向?qū)娱g位移角Tab.4 Interlayer Displacement Angles in X and Y Directions

在地震傳播過程中，行波效應(yīng)對大跨度空間結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)有一定的影響，故需對結(jié)構(gòu)進行行波效應(yīng)分析。根據(jù)文獻［9］5.1.2 條及其條文說明，長度大于300 m 屬于平面投影尺寸很大的空間結(jié)構(gòu)，需考慮行波影響。該結(jié)構(gòu)在東西向的屋蓋長度約為412 m，南北向長度約為252 m。故本工程對結(jié)構(gòu)東西向進行行波效應(yīng)分析。視波速是超長結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)的重要影響因素［10-11］，本工程分別取視波速1 500 m/s、1 000 m/s、500 m/s 進行試算，則東西向行波效應(yīng)的最大時間間隔Δt分別為0.26 s、0.39 s、0.78 s。

選取小震彈性時程分析中的3條地震波進行多點激勵時程分析。采用地面運動的位移作為動荷載建立動力平衡方程，進行多點地震動輸入的激勵。對屋蓋支撐柱底東西向總剪力的行波效應(yīng)進行計算統(tǒng)計，結(jié)果如表5所示。

屋蓋支撐柱底的總剪力計算結(jié)果顯示，3 條地震波的位移時程多點激勵均比一致激勵要小，且視波速越大，多點激勵越接近一致激勵。計算表明，地震作用的行波效應(yīng)對此屋蓋結(jié)構(gòu)的影響不明顯，此結(jié)論與牟在根等人［12］的結(jié)論基本吻合。

表5 行波效應(yīng)下屋蓋支撐柱底剪力Tab.5 Shear Force of Roof Support Column under Traveling Wave Effect

因多點輸入效應(yīng)時，同一構(gòu)件的內(nèi)力變化規(guī)律不盡相同。本工程采用各內(nèi)力共同作用下的構(gòu)件截面最大應(yīng)力作為鋼構(gòu)件的主要考察對象。王元清等人［13］給出基于抗震截面驗算的設(shè)計響應(yīng)比Kd作為衡量多點輸入效應(yīng)影響程度的參數(shù)。其中：

考察屋蓋中部網(wǎng)架和兩側(cè)飄帶下部支承柱（見圖5）在上述荷載組合下的構(gòu)件截面最大應(yīng)力，具體結(jié)果如表6、表7所示。

圖5 考察對象Fig.5 Object of Investigation

表6 各設(shè)計響應(yīng)比下鋼構(gòu)件數(shù)量統(tǒng)計Tab.6 Number Statistics of Steel Components under Different Design Response Ratios

表7 綜合計算結(jié)果統(tǒng)計Tab.7 Statistical of Comprehensive Calculation Results

表6、表7 表明，大多數(shù)鋼構(gòu)件的設(shè)計響應(yīng)比Kd小于1，即多點輸入效應(yīng)會減小大多數(shù)鋼構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)力。對于這些構(gòu)件，不考慮多點輸入效應(yīng)時偏安全。但仍然有大約15%的構(gòu)件響應(yīng)超過一致輸入，其中大多數(shù)超載幅度小于5%，小部分超載幅度均在5%～10%之間，設(shè)計中予以復核即可。

6 等效彈性結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計驗算

本工程的中震性能要求為屋蓋的關(guān)鍵構(gòu)件中震彈性，一般構(gòu)件中震不屈服。采用等效彈性方法計算，中震采用振型分解反應(yīng)譜法放大1.33倍計算結(jié)果為設(shè)計依據(jù)（繼承小震時程結(jié)果分析結(jié)論）。關(guān)鍵構(gòu)件為中震彈性，荷載組合為1.2G+1.3Exy；一般構(gòu)件中震不屈服，荷載組合為1.0G+1.0Exy。

在雙向地震作用下，對部分不滿足要求的關(guān)鍵構(gòu)件針對性地采取截面加大和牌號提高措施，得出的主要分析結(jié)果情況如圖6所示。

圖6 關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力比Fig.6 Stress Ratio of Key Components

由圖6可知，經(jīng)過上述針對性加強措施后，關(guān)鍵構(gòu)件僅有個別構(gòu)件未滿足要求，在后期對剩余的個別桿件做針對性的截面加強即能滿足中震彈性性能目標。一般構(gòu)件的主應(yīng)力均未達到構(gòu)件的屈服強度355 MPa，即滿足不屈服性能要求。

7 罕遇地震作用下屋蓋鋼結(jié)構(gòu)等效彈性時程分析

罕遇地震時程分析時采用調(diào)幅后的時程曲線（同小震時程分析），調(diào)幅峰值為220 cm/s2?？紤]罕遇地震下部結(jié)構(gòu)的損傷，剛度退化。阻尼相比多遇地震時增加了0.005，即采用0.035。屋蓋的關(guān)鍵構(gòu)件需滿足大震不屈服的要求。大震工況荷載組合為1.0G+1Exy。

7.1 大震驗算結(jié)果

經(jīng)分析，大震情況下的屋蓋整體計算結(jié)果如表8、表9所示。

經(jīng)大震時程分析，揭示出本工程主要構(gòu)件中的薄弱環(huán)節(jié)有下面幾處：

⑴光谷的薄弱環(huán)節(jié)主要有4 處（見圖7）：光谷外排中間部位的主梁、光谷中排中間部位主梁、光谷內(nèi)排外側(cè)主梁和光谷外排中間部位的支撐。

加強措施：光谷薄弱部位的主梁采用高強度鋼材，擬采用Q460B 牌號。光谷外排中部支撐擬采用加大截面的形式，截面尺寸同外部支撐，即由原設(shè)計的“方200×6”改成“方300×10”。

⑵ 中部桁架部位的薄弱環(huán)節(jié)主要有2 處（見圖8）：外排桁架端部腹桿和波浪橫向桁架轉(zhuǎn)折部位。

加強措施：外排桁架端部腹桿，擬采用加大截面的措施。波浪橫向桁架轉(zhuǎn)折部位擬采用“相關(guān)桿件加大截面+立體桁架三面加鋼板蒙皮”的加強措施。

7.2 采取針對性加強措施

罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)不同部位采用相應(yīng)的針對性加強措施后，只有光谷花瓣處2 道環(huán)梁矩形1 200×800×30×40 和矩形1 000×600×30×30 與花瓣主梁連接節(jié)點位置不滿足要求，略有超載。后期通過針對性的節(jié)點加強措施（如環(huán)梁牌號改成Q460B，節(jié)點區(qū)域主梁和環(huán)梁加大截面厚度等）能滿足不屈服性能目標。

表8 大震作用下屋蓋柱底總剪力（X向為主）Tab.8 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Large Earthquake（X-direction is the Main Direction）

表9 大震作用下屋蓋柱底總剪力（Y向為主）Tab.9 Total Shear Force of Roof Column Bottom under Large Earthquake（Y-direction is the Main Direction）

圖7 光谷薄弱部位Fig.7 Weak Parts of The Valley

圖8 中部桁架薄弱部位Fig.8 Weak Parts of Central Truss

8 針對超限的結(jié)論和加強措施

經(jīng)過上述系列的分析可得下列結(jié)論：

⑴根據(jù)多遇地震時程分析結(jié)果，采用振型分解反應(yīng)譜法放大1.33倍計算結(jié)果為設(shè)計依據(jù)。

⑵屋蓋結(jié)構(gòu)行波效應(yīng)不明顯，采用設(shè)計響應(yīng)比Kd=Sm/Su衡量行波影響，極少數(shù)桿件略大于一致激勵情況，在設(shè)計中予以針對性復核即可。

⑶中震、大震針對薄弱環(huán)節(jié)和構(gòu)件進行針對性增加截面或提高鋼材牌號等加強措施能滿足預設(shè)的普通構(gòu)件中震不屈服，關(guān)鍵構(gòu)件中震彈性、大震不屈服的性能目標要求。

9 結(jié)語

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)部分，東西走向屋蓋總長412 m，單元長度超過300 m，屬于大跨度超限建筑。采用SAP 2000 對這大跨度超限結(jié)構(gòu)進行了行波效應(yīng)分析、小震時程、以及中、大震分析計算。經(jīng)系列分析，針對超限項目采取了針對性的加強措施。分析結(jié)果表明：該超長屋蓋行波效應(yīng)不明顯，本結(jié)構(gòu)抗震性能良好，能滿足設(shè)定的抗震性能目標。

本工程的超限分析內(nèi)容還包括了相應(yīng)的防連續(xù)倒塌分析、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析和施工模擬分析，限于篇幅，以上內(nèi)容不在本文論述。本工程其他的專項分析（包括溫度專項）則在后續(xù)施工圖階段進行專門分析論證。