謝 軍， 孫亞琦， 鄒 翔， 賈雨萌， 樊欽鑫， 楊超杰

(1 中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司， 北京 100120；2 成都淮州新城建設投資有限公司， 成都 610404)

1 工程概況

淮州新城國際會展中心(簡稱會展中心)位于成都市金堂縣，建筑面積4.5萬m2，建筑高度35m。建筑功能主要是展廳、辦公會議、航空博物館等，無地下室，地上共4層(1層有5m高夾層)，屋面為輕質(zhì)鋁板和玻璃幕墻屋面[1]，建筑效果如圖1所示。結構設計基本參數(shù)見文獻[1]。

圖1 建筑效果圖

2 結構體系

會展中心基礎采用獨立柱基、條形基礎，下部采用鋼框架-支撐結構體系；屋蓋采用主、次鋼桁架，并通過3道環(huán)向桁架連接形成整體空間結構(主桁架以框架柱為支承條件，次桁架以環(huán)向桁架為支承條件)，桁架之間通過屋面網(wǎng)格形成整體。為提高結構整體抗側(cè)剛度和抗震性能，在樓梯間位置設置屈曲約束支撐(BRB)。中庭屋面采用跨度為40m，矢跨比為1/5.4的單層網(wǎng)殼。結構體系組成見圖2～4。

圖2 結構整體模型

圖3 典型結構剖面

圖4 典型屋蓋結構單元

根據(jù)《四川抗震設防超限高層建筑工程界定標準》(DB 51/T5058-2014)與住建部《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質(zhì)〔2015〕67號)[2]規(guī)定，經(jīng)初步判斷，本工程的抗震設防專項審查內(nèi)容及主要超限情況為：1)有效樓板寬度小于樓層典型寬度的50%，見圖5；2)結構1，2層的位移比大于1.2，分別為1.26，1.24；3)結構1，3層存在穿層柱，見圖6。

圖5 有效樓板寬度小于樓層典型寬度的50%示意圖

圖6 結構穿層柱示意

3 抗震性能化設計

3.1 結構性能目標

本工程結構體系相對復雜，故主要根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[3](簡稱抗震規(guī)范)進行抗震性能化設計。綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構超限程度等因素，確定結構的性能目標為性能3(即小震彈性，中震不屈服，大震中等破壞)，主要構件抗震性能指標見表1。

主要構件抗震性能指標 表1

3.2 關鍵構件

關鍵構件及節(jié)點確定基本原則：1)通過增加承載力保證結構預定傳力路徑的構件和節(jié)點；2)關鍵傳力部位；3)薄弱部位。

依據(jù)此原則，本工程的關鍵構件為：穿層柱、與屋蓋桁架連接框架柱、屋蓋與框架柱連接桁架弦桿和腹桿、復雜關鍵節(jié)點。

3.3 設防地震性能化設計

應用MIDAS軟件建立結構三維桿系有限元模型進行計算分析。其中，彈性設計時采用式(1)，不屈服設計時采用式(2)。

γGSGE+γESEk(I2,ζ)≤R/γRE

(1)

SGE+SEk(I,ζ)≤Rk

(2)

式中:SGE為重力荷載代表值的效應；SEk為地震作用(設防或罕遇地震)標準值的效應；γG為重力荷載分項系數(shù)；γE為地震作用分項系數(shù)；I2為設防地震動；I為設防或罕遇地震動；ζ為考慮部分次要構件進入塑形的剛度降低系數(shù)；R為截面承載力設計值；Rk為截面承載力標準值，按材料強度標準值計算；γRE為抗震承載力調(diào)整系數(shù)。

3.3.1 穿層柱彈性驗算

因為穿層柱的計算長度大，剛度小，所以軟件計算的地震作用小。但從結構的多道防線角度考慮，穿層柱易在內(nèi)力重分配過程中形成薄弱部位，故設定其設防地震的性能目標為截面彈性[4]。

結構在1，2層之間及3，4層之間存在部分穿層柱。經(jīng)式(1)計算，穿層柱在設防地震下的軸壓比控制在0.5以下，計算最大應力比為0.69，滿足彈性性能目標，具有適當?shù)陌踩珒洹４又畈焕麅?nèi)力控制位置見圖7，具體結果見表2。

圖7 穿層柱最不利內(nèi)力控制位置圖

典型穿層柱設防地震性能指標表2

3.3.2 其他框架柱不屈服驗算

經(jīng)式(2)計算，在設防地震下，其他框架柱的最大應力比為0.83，能夠達到截面不屈服的性能目標。最不利位置位于結構1，2層，具體結果見表3。

典型其他框架柱設防地震性能指標 表3

3.3.3 與屋蓋桁架連接框架柱、屋蓋與框架柱連接桁架弦桿和腹桿的彈性驗算

在設防地震下，與框架柱連接的屋面鋼結構桁架弦桿、腹桿(圖8)的受力較大，承擔著傳遞屋頂水平地震作用和增加整體結構剛度的作用，破壞后果較為嚴重，故設定其設防地震的性能目標為截面彈性[5]。

圖8 與屋蓋桁架連接框架柱、屋蓋與框架柱連接桁架弦桿和腹桿示意圖

經(jīng)式(1)計算，構件應力比(考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù))滿足中震彈性控制要求，最大值為0.999。具體結果見圖9。

圖9 與屋蓋連接關鍵構件設防地震下的構件應力比

3.3.4 與支撐連接框架梁、框架柱設防地震不屈服驗算

對于鋼框架-中心支撐，在設防地震作用下，支撐為結構主要的耗能構件，在設防地震下屈服。為增強耗能，采用BRB，同時應確保與支撐相連的框架梁、框架柱設防地震不屈服，能夠提供足夠的剛度。按照式(2)計算，支撐及其子框架的應力比結果見圖10。從圖10中可看出，支撐的應力比大于1，達到了屈服狀態(tài)，而與其連接的子框架應力比最大值為0.7，具有足夠的安全儲備，可以確保BRB充分發(fā)揮耗能作用。

圖10 與支撐連接框架梁、框架柱中震不屈服應力比

3.3.5 關鍵節(jié)點設防地震彈性驗算

本工程屋蓋及中庭單層網(wǎng)殼為大跨鋼結構，其鋼結構節(jié)點存在多管相貫情況，構造形式及應力分布較為復雜，部分節(jié)點采用鑄鋼節(jié)點，為實現(xiàn)“強節(jié)點、弱構件”的設計要求，對結構重要節(jié)點進行了有限元應力分析，保證了節(jié)點中震彈性的性能目標。

應用SoildWorks進行節(jié)點三維建模，使用ANSYS16.0進行計算分析。鑄鋼節(jié)點有限元分析采用Solid92四面體單元[6]，鋼材采用雙線性隨動強化模型，材料性能按《鑄鋼節(jié)點應用技術規(guī)程》(CECS 235∶2008)[7]取值，鋼材屈服強度fy=300MPa，鋼材的抗拉強度最小值fu=480MPa，鋼材的彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取0.3。單元網(wǎng)格采用自由劃分，計算準則采用多線性隨動強化和von Mises屈服準則。

(1)節(jié)點一

節(jié)點一位于中庭單層網(wǎng)殼頂部(圖11)，與12根截面相同的矩形鋼管相交，如果采用常規(guī)相貫節(jié)點，則會形成大量銳角焊縫，很難保證連接質(zhì)量。為此，將節(jié)點一制作成齒輪狀的鑄鋼節(jié)點，12個齒輪分別與12個桿件連接，不但可以方便施工，同時還可以有效避免應力集中。鑄鋼節(jié)點自重較大且位置不利，節(jié)點一中心開一個直徑300mm的圓孔可減小節(jié)點自重。圖12為節(jié)點一的三維模型及有限元網(wǎng)格劃分。

圖11 節(jié)點一位置示意

圖13為節(jié)點一在設防地震下(式(1))的應力狀態(tài)，最大應力約為73 MPa，出現(xiàn)在支管與環(huán)形鑄鋼交接處。節(jié)點一處于彈性狀態(tài)，滿足設防目標。圖14為節(jié)點一的荷載-位移曲線圖，可以看出，節(jié)點一失效時的極限荷載約為設計荷載的2.3倍，節(jié)點具有足夠的安全儲備。

圖13 設防地震下節(jié)點的應力/MPa

圖14 節(jié)點一荷載-位移曲線圖

(2)節(jié)點二

節(jié)點二位于屋蓋主桁架懸挑端的轉(zhuǎn)折處(圖15)，8個結構桿件相貫，且桿件間的夾角較小，為確保施工可靠性，避免應力集中，設計成鑄鋼節(jié)點。圖16為節(jié)點二的三維模型及有限元網(wǎng)格劃分。

圖15 節(jié)點二位置示意

圖16 節(jié)點二三維模型及有限元網(wǎng)格劃分

圖17 設防地震下節(jié)點的應力/MPa

圖18 節(jié)點二荷載-位移曲線圖

圖19 穿層柱罕遇地震不屈服剪切應力比

圖20 與支撐連接框架、與框架柱連接桁架罕遇地震不屈服剪切應力比

節(jié)點二在設防地震下(式(1))的應力狀態(tài)見圖17，最大應力約為88MPa，最大應力出現(xiàn)在2，3，4號支管與7，8號支管交接處外圍，設計中應保證此處倒角變化平緩，以減少應力集中的不利影響。

圖18為節(jié)點二的荷載-位移曲線圖，可以看出，節(jié)點二失效時的極限荷載約為設計荷載的2.0倍，節(jié)點具有足夠的安全儲備。

3.4 罕遇地震性能化設計

3.4.1 等效彈性抗剪不屈服驗算

為方便設計，先通過等效彈性方法對關鍵構件在罕遇地震下的受力狀態(tài)進行分析。采用MIDAS三維桿系模型，考慮BRB已經(jīng)進入耗能狀態(tài)，且部分框架梁出現(xiàn)屈服，將結構在等效彈性分析時的阻尼比設置為0.05。根據(jù)性能化設計目標，關鍵構件應滿足在罕遇地震下抗剪不屈服(式(2))的抗震性能化要求，構件應力比計算結果見圖19，20。其中，穿層柱截面的最大剪切應力比約為0.20，與支撐連接的子框架、與框架柱連接桁架弦桿、腹桿的最大剪切應力比約為0.72，可滿足抗剪不屈服控制要求。

3.4.2 彈塑性時程分析

基于表1的罕遇地震性能目標，本節(jié)進行了罕遇地震下結構動力彈塑性時程分析，通過結構整體指標和構件性能兩個方面來評判結構的可靠性。結構整體指標包括罕遇地震彈塑性層間位移角、基底剪力，構件性能評估指標包括構件塑性發(fā)展的區(qū)域、損傷程度等，在找出結構薄弱部位的同時，對結構采取加強措施。

采用SAUSAGE軟件進行罕遇地震的彈塑性分析，其主要振型的周期同MIDAS Gen軟件的計算結果基本吻合，相差僅3%左右，見表4。鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型(圖21)，在循環(huán)過程中，鋼材無剛度退化，考慮了包辛格效應。鋼材的強屈比設定為1.2，極限應力所對應的極限塑性應變?yōu)?.025。在循環(huán)過程中，鋼材無剛度退化。

MIDAS Gen與SAUSAGE模型周期對比 表4

圖21 鋼材的雙線性隨動硬化模型

本工程結構動力彈塑性時程分析采用特征周期Tg=0.4s的2條天然波(TH1TG040，TH4TG040)和1條人工波(RH2TG040)分別進行主次雙向地震作用計算，地震動參數(shù)在主次方向的比值為1∶0.85。地震波持續(xù)時間均大于10s，大于結構基本周期的5倍。加速度峰值均為220gal，結構阻尼比為0.04。地震波時程曲線見圖22。

圖22 地震波時程曲線

3.4.3 彈塑性層間位移角、層間剪力

在罕遇地震下結構最大彈塑性層間位移角沿樓層的分布如圖23所示。各條地震波作用下樓層最大彈塑性層間位移角見表5。從圖23和表5可以看出，最大彈塑性層間位移角均小于性能指標限值1/50，滿足“大震不倒”的性能目標要求。

圖23 樓層最大彈塑性層間位移角

樓層最大彈塑性層間位移角 表5

表6統(tǒng)計了動力彈塑性時程基底剪力與等效大震彈性基底剪力、小震反應譜基底剪力的比值。從表6中可以看出，動力彈塑性時程基底剪力與等效大震彈性基底剪力數(shù)值十分接近，說明等效大震的

基底剪力對比結果 表6

計算結果有效；彈塑性時程分析基底剪力為小震反應譜基底剪力的5～5.4倍，處于合理范圍。這是因為結構在確保整體剛度的同時，部分構件進入塑性、剛度退化從而增大了結構的阻尼比，使得地震作用減小。

3.4.4 BRB耗能分析

本工程的BRB主要承受水平荷載，支撐與梁夾角在45°～60°之間[8]，BRB的布置一方面要結合建筑的使用功能，另一方面要起到調(diào)整結構的扭轉(zhuǎn)位移比的作用。本工程中共設置了63個BRB，其數(shù)量分布、承擔的剪力見表7。從表7中可以看出，BRB分擔的剪力占比在8.2%～31.3%之間，設置BRB后可以將結構的扭轉(zhuǎn)位移比從1.41降低到1.26。

BRB在多遇地震下保持彈性，為結構提供抗側(cè)剛度，而在罕遇地震下無論受拉還是受壓均能實現(xiàn)全截面充分屈服，從而耗散地震能量，并不會出現(xiàn)普通支撐的整體屈曲或局部屈曲破壞。圖24為普通支撐與BRB的工作狀態(tài)區(qū)別。

圖24 普通支撐與BRB的工作狀態(tài)

圖25為BRB在罕遇地震下的滯回曲線，形態(tài)較為飽滿，耗能狀態(tài)良好。圖26為罕遇地震下結構整體的能量分布曲線，其最下部曲線所圍合的面積為BRB耗散的能量。并可依據(jù)式(3)計算出BRB提供的附加阻尼，結果見表8。

圖25 罕遇地震下典型BRB滯回曲線

圖26 罕遇地震下結構整體能量分布曲線

BRB數(shù)量分布及承擔的剪力 表7

(3)

式中：ξa為BRB提供的附加阻尼比；Wcj為第j個BRB在結構預期層間位移往復一周所消耗的能量；Ws為結構在預期位移下的總應變能。

BRB耗能附加阻尼比 表8

3.4.5 與支撐相連的框架柱抗震性能

罕遇地震工況下與支撐相連的框架柱的最不利損傷情況如圖27所示，框架柱大部分無損傷，少數(shù)框架柱根部輕微損壞，滿足框架梁柱的性能目標高于支撐的設計要求，從而能夠確保支撐發(fā)揮其耗能作用。

圖27 框架柱塑形損傷狀態(tài)

3.4.6 普通支撐和框架梁的抗震性能

普通支撐大部分發(fā)生屈服，可充分耗能；部分框架梁端部發(fā)生輕微和中度損傷，可提供部分耗能，并滿足“強柱弱梁”的設計要求。

4 結語

(1)淮州新城國際會展中心建筑造型復雜，存在多條超限項目，為不規(guī)則建筑。為確保結構的安全可靠，需要進行抗震性能化設計，其關鍵是根據(jù)工程的抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構超限程度等因素確定結構的抗震性能目標，明確結構整體及各構件的抗震性能指標。并通過對結構在各個設防水準地震作用下的詳細計算分析及構造措施，確保結構抗震設計的安全合理，滿足既定設防目標。

(2)地震作用下，關鍵節(jié)點的受力復雜，破壞后果嚴重，是抗震性能化設計的重點。結構在罕遇地震下的性能表現(xiàn)十分重要，是對結構的承載力和耗能能力的綜合考量，可通過設置BRB提高結構剛度和耗能能力。合理布置BRB，一方面可以在多遇地震作用下為結構提供剛度，降低結構扭轉(zhuǎn)位移比，另一方面可以在罕遇地震作用下為結構提供有效的耗能。