黃 信, 譚成松, 陳 宇, 齊 麟(. 中國民航大學交通科學與工程學院, 天津 300300; 2. 中國民航大學機場工程科研基地, 天津 300300)

0 引言

我國機場建設進入快速發(fā)展時期[注]中國民用航空局,國家發(fā)展和改革委,交通運輸部.中國民用航空發(fā)展第十三個五年計劃.2016.,隨著機場跑道等級提升及數(shù)量增加,機場塔臺高度不斷增加?？展芩_是確保飛機安全起落降的重要基礎設施,由于我國地震頻發(fā),確保并提升高烈度區(qū)高聳塔臺結構抗震性能及安全,是確保重大地震災害下機場安全運行并發(fā)揮生命線功能的基礎。根據塔臺使用功能要求,塔臺中下部采用混凝土筒體,頂部管制層無遮擋目視功能及避免目視眩光等要求,多采用鋼框架并設置斜柱。

國內外學者針對塔臺結構的抗震性能開展了相關研究。杜東升等[1]基于振型疊加地震響應分析方法分析高階振型對塔臺地震響應的影響,表明高階振型對地震力影響不容忽視。顧云磊等[2]針對某連體塔臺結構采用彈性時程和靜力彈塑性推覆分析,研究了塔臺結構在地震作用下的受力性能,表明塔臺結構抗震性能滿足規(guī)范要求。Hossein等[3]對塔臺結構進行推覆分析并比較了不同推覆荷載模式的差異,分析表明由于結構上部剛度突變導致位移效應增大。James等[4]采用反應譜分析方法對塔臺結構進行地震分析,并對管制層鋼柱進行了加強。Vafaei等[5]研究了反應譜法和推覆法對塔臺抗震分析的差異,結果表明線性分析會低估塔臺結構的位移和剪力。Moravej等[6]對機場塔臺結構進行抗震分析,表明按照常規(guī)建筑結構設計規(guī)范設計的塔臺結構并不能滿足強震作用下的抗震性能要求。陳焰周等[7]對Ⅶ度抗震區(qū)高聳塔臺結構采用頻遇地震反應譜及等效彈性分析方法進行設計,并通過設置擴大地下室以提高結構抗傾覆能力。目前,高聳塔臺結構采用頻遇地震作用進行設計,僅利用推覆分析對罕遇地震下塔臺結構的層間位移角進行驗算,而對塔臺結構在強震作用下的損傷分布機理及性能化抗震缺少相關研究。

目前,針對高層結構的強震損傷和性能設計開展了系列研究。呂西林等[8]采用彈塑性時程方法研究了超高層混合結構在不同地震水準下的地震響應和破壞過程。李忠獻等[9]分析表明采用材料損傷本構模型加權組合得到結構損傷準則的方法是可行的。Huang等[10]采用性能化抗震設計方法對設置伸臂桁架的豎向不對稱收進高層結構進行性能化抗震設計,分析了強震下高層結構損傷狀況。王斌等[11]采用試驗及非線性分析方法分析了框筒結構的抗震性能,得出型鋼混凝土框架-核心筒具有良好的抗震性能。所以為保證重大地震災害下機場運行安全并發(fā)揮應急救援和輸送物資的生命線功能,提升高聳塔臺抗震性能,研究強震下高聳塔臺結構損傷分布機理,并基于性能化抗震設計方法以提升罕遇地震下高聳塔臺的抗震性能。

本文采用非線性時程分析方法,對機場典型高聳塔臺結構進行罕遇地震彈塑性分析,研究高聳塔臺結構的強震損傷分布規(guī)律,基于強震損傷分析確定塔臺關鍵構件的性能水準并開展性能化抗震設計,同時分析豎向地震作用對塔臺地震效應的影響,從而提升高烈度區(qū)高聳塔臺結構的抗震性能。

1 結構性能化抗震設計方法

1.1 結構性能化抗震設計

結構性能化抗震設計是根據預定的性能目標對結構開展不同地震水準作用下的抗震設計,從而提高結構的抗震性能[12-13]。首先根據結構不規(guī)則性程度,確定結構的性能目標以及不同地震水準作用下結構構件的性能水準。構件性能水準設計主要包括基于材料設計值的構件彈性設計、基于材料強度標準值的構件屈服承載力設計和構件抗剪截面限值條件復核;依據確定的構件性能水準,采用等效彈性分析方法對結構進行地震響應分析和配筋設計,確保結構層間位移角及構件配筋等指標滿足設計要求;對采用性能化抗震設計確定配筋的結構進行罕遇地震彈塑性分析,使罕遇地震作用下結構抗震性能滿足預定的性能目標要求。

1.2 結構非線性分析方法

強震作用下結構動力響應分析應考慮非線性效應。結構動力非線性計算采用顯式算法進行分析,顯式算法采用動力學方程的時間差分格式,其計算如式(1)所示[14]。

(1)

為考慮混凝土的非線性行為,混凝土采用損傷塑性本構模型[15-16],該非線性本構模型可以較為合理的考慮混凝土的剛度退化。

通過修正初始彈性剛度考慮材料受力后發(fā)生的損傷,建立應力-應變關系為

(2)

(3)

混凝土材料在單軸受拉或受壓作用下由于開裂或壓碎產生損傷從而導致剛度下降,此時通過引入損傷因子考慮剛度下降,損傷因子如式(4)所示。

(4)

式中:t,c分別代表拉伸和壓縮;β為塑性應變與非彈性應變的比例系數(shù);εin為混凝土拉壓情況下的非彈性階段應變;σk為應力;E0為初始彈性模量。

鋼材采用雙線性隨動強化模型,設定鋼材塑性應變分布為屈服應變的2、4、6倍時分別對應輕微損壞、輕度損壞和中度損壞3種程度[17],Q345鋼的屈服應變?yōu)?.002。

2 高聳塔臺結構及非線性分析模型

2.1 塔臺結構方案

機場高聳塔臺在外立面造型存在一定的差異,但塔臺結構均由中下部區(qū)域的筒體和上部框架結構組成。為分析高烈度區(qū)高聳塔臺結構抗震性能,選擇具有代表性的典型塔臺結構進行分析。高聳塔樓結構高度為84.1 m,抗震設防烈度為Ⅷ度,共計16層,塔臺功能由上至下為管制層、設備層、休息層、消防雜物層,以及豎向交通(樓梯、電梯和管井)。結構體系采用鋼筋混凝土筒體+鋼框架結構體系。根據建筑功能及塔臺管制層眩光設計要求,上部功能樓層外框柱采用斜柱。為滿足管制層建筑面積要求,管制層斜柱支撐于下方外框梁。塔臺筒體墻厚及混凝土標號列于表1。上部懸挑框架梁柱(混凝土梁柱)尺寸分別為350 mm(寬)×700 mm (長)和300 mm(寬)×700 mm(長)，頂部管制層H型鋼梁和鋼柱尺寸分別為350 mm(H型鋼梁翼緣寬)×750 mm(H型鋼梁高)×30 mm(翼緣厚度)×20 mm(腹板厚度)和550 mm(寬)×550 mm(長)×20 mm(長和寬方向的壁厚)。鋼筋采用HRB400；鋼材采用Q345B，上部懸挑框架混凝土等級為C40。

表1 塔臺層高、筒體尺寸和混凝土標號

采用反應譜法和彈性時程分析方法對塔臺結構進行多遇地震作用下結構動力響應分析,其中彈性時程分析采用5條天然波和2條人工波,地震波信息列于表2,地震波滿足《建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011—2010)》的第5.1.2條的選波要求。

表2 地震波信息

結構第1階至第3階周期分別為1.19 s、1.17 s和0.23 s,結構第1和第2階主振型均為平動振型,第5階主振型為扭轉振型。

多遇地震作用下塔臺結構層間位移角和基底剪力如表3和圖1所示。

可知,多遇地震作用下高聳塔臺結構頂部鋼框架x向和y向的最大層間位移角分別為1/668和1/608,小于框架位移角1/550限值要求;筒體結構x向和y向的最大層間位移角分別為1/1 022和1/1 023,小于剪力墻位移角1/1 000限值要求,多遇地震作用下結構x向和y向基底剪力分別4 581 kN和4 481 kN,所以多遇地震作用下塔臺結構層間位移角滿足《建筑抗震設計規(guī)范(GB50011—2010)》第5.5.1條要求。

2.2 非線性分析模型

罕遇地震作用時采用雙向地震波輸入,主、次方向峰值加速度比為1∶0.85,主方向地震波加速度幅值調整為400 gal。工程場地為三類場地,特征周期為Tg=0.60。為研究高聳塔臺結構的強震損傷,選擇的3條地震波頻譜曲線如圖2所示,所選3條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線在第1至第3周期點與振型分解反應譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相差分別為10%、10%和2%,3條地震波頻譜特性符合《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.2條的規(guī)定。

表3 多遇地震作用下結構層間位移角及基底剪力

圖1 多遇地震作用下結構層間位移角Fig.1 Story drift ratio under frequent earthquakes

圖2 罕遇地震下地震波頻譜圖Fig.2 Seismic wave spectra under rare earthquake

鋼筋混凝土筒體剪力墻采用分層殼單元進行模擬,通過設置分布筋和暗柱鋼筋以考慮剪力墻鋼筋作用,梁柱采用桿系單元,樓板采用四邊形或三角形減縮積分單元模擬。采用ABQUS軟件建立的高聳塔臺結構三維數(shù)值分析模型如圖3所示。

圖3 高聳塔臺結構三維數(shù)值模型Fig.3 Three-dimensional analysis model of high-rising tower structure

3 罕遇地震高聳塔臺結構抗震性能

3.1 結構自振特性分析

采用ABAQUS軟件和YJK軟件分析得到的結構自振頻率列于表4。

表4 結構自振周期(單位:s)

可知,采用ABQUS軟件建立的彈塑性分析模型計算的自振周期和采用YJK軟件建立的彈性模型分析的結構自重周期較為一致,說明采用ABAQUS軟件建立的彈塑性分析模型合理。

3.2 結構整體受力指標

罕遇地震作用下塔臺結構層間位移角和基底剪力分別如表5和圖4所示。

表5 罕遇地震作用下結構層間位移角及基底剪力

圖4 罕遇地震作用下結構各層最大層間位移角Fig.4 Maximum story drift ratio of each floor of structure under rare earthquake

可知,地震沿x主向輸入時,塔臺筒體最大層間位移角為1/110,框架最大層間位移角為1/98;地震沿y主向輸入時,筒體最大層間位移角為1/138,框架最大層間位移角為1/92,所以塔臺結構在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角均小于規(guī)范1/100(筒體) 和1/50(框架)限值要求。

由表5可知,罕遇地震與頻遇地震作用下結構基底剪力比值在3.5左右,說明罕遇地震作用下高聳塔臺結構進入塑性受力狀態(tài)。

3.3 高聳塔臺結構構件損傷分析

為明確罕遇地震作用下筒體剪力墻的性能狀態(tài),對筒體剪力墻的混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應變進行分析,其中混凝土受壓損傷反映筒體剪力墻的受壓性能,鋼筋塑性應變反映剪力墻的受拉性能。由于塔臺結構布置較為對稱,限于篇幅僅給出地震波沿x主向作用時,筒體剪力墻混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應變分布如圖5～圖6所示。

由圖5～圖6可知,在罕遇地震作用下,塔臺筒體大部分區(qū)域的混凝土受壓損傷小于0.1,僅在塔臺筒體的下部區(qū)域受壓損傷明顯,筒體受壓損傷因子最大值達到0.65,塔臺筒體該部分區(qū)域處于嚴重損壞狀態(tài)。

圖5 地震波沿x主向作用時筒體混凝土受壓損傷Fig.5 Concrete compression damage of tube under the action of seismic wave along the x direction

圖6 地震波沿x主向作用時筒體鋼筋塑性應變Fig.6 Reinforcement plastic strain of tube under the action of seismic wave along the x direction

相對塔臺筒體混凝土受壓損傷明顯區(qū)域位于塔臺底部而言,塑性應變最大區(qū)域位于筒體高度的中部,筒體塑性應變最大值為0.014 9,根據塑性應變分布可知筒體中部區(qū)域出現(xiàn)比較嚴重損壞狀態(tài),說明強震作用下塔臺筒體中部區(qū)域的受力效應明顯。

同時可知,相對高層結構損傷嚴重區(qū)域位于結構底部,對于高聳塔臺結構的底部及中部區(qū)域存在比較嚴重損壞區(qū)域,尤其塔臺中部區(qū)域出現(xiàn)明顯的受拉損壞,所以對于高烈度區(qū)高聳塔臺結構抗震設計應重視筒體底部及中部抗震薄弱區(qū),有必要對罕遇地震作用下塔臺筒體損傷進行控制。

進一步分析罕遇地震作用下框架梁柱的性能狀態(tài),地震波沿x主向作用時塔臺頂部區(qū)域梁柱構件的塑性應變如圖7所示。

圖7 地震波x主向作用下框架梁柱塑性應變Fig.7 Plastic strain of beam and column under the action of seismic wave along the x direction

由圖7可知,罕遇地震下框架梁塑性應變最大值為0.137,框架梁處于中度損壞狀態(tài);框架柱塑性應變小于0.002,說明框架柱處于彈性狀態(tài)。由分析可知,罕遇地震作用下高聳塔臺結構的筒體損傷較框架梁柱構件大,說明罕遇地震下筒體是塔臺結構的抗震薄弱部位。

3.4 高聳塔臺結構性能設計及損傷控制

罕遇地震作用下高聳塔臺結構在底部及中部的局部區(qū)域出現(xiàn)比較嚴重損壞,為提升高聳塔臺結構在強震下的抗震性能,基于性能化抗震設計方法對高聳塔臺結構抗震薄弱部位進行抗震性能設計,將中下部筒體(第1層至第10層)性能水準提升為設防地震下受彎受剪不屈服,并利用等效彈性分析方法確定塔臺結構構件的配筋設計。高聳塔臺結構構件抗震性能水準如表6所列,確定塔臺結構中下部筒體為關鍵構件。

表6 結構構件抗震性能水準

設防地震下構件不屈服抗震承載力如式(5)所示[12]。

SGE+SEK≤Rk

(5)

式中:SGE為重力荷載代表值效應;SEK為地震作用標準值的構件內力;Rk為構件承載能力設計值,不考慮構件承載力抗震調整系數(shù)。

對分別采用多遇地震設計和性能化抗震設計確定的塔臺結構筒體配筋量進行對比分析,可知采用表6所示性能水準進行性能設計后的塔臺筒體鋼筋用量增加約27 kg/m2,折合鋼筋造價增加約17.6萬元,可知對塔臺結構采用性能設計后結構配筋增加費用占工程造價比重較小。

對采用性能化抗震設計后的塔臺結構進行罕遇地震彈塑性分析,高聳塔臺結構筒體混凝土受壓損傷和塑性應變分別如圖8～圖9所示和表7所列。

圖8 考慮性能設計后筒體混凝土受壓損傷(x主向)Fig.8 Concrete compression damage of tube considering performance-based seismic design (x main direction)

圖9 考慮性能設計后筒體鋼筋塑性應變(x主向)Fig.9 Reinforcement plastic strain of tube considering> performance-based seismic design (x main direction)

表7 考慮性能設計的筒體受壓損傷和塑性應變對比

由分析可知,筒體采用設防地震不屈服性能化抗震設計后,混凝土受壓損傷和塑性應變降低,如天然波1沿x主向作用時,考慮性能設計時筒體受壓損傷和塑性應變分別由0.49和13.49×10-3降低至0.33和8.92×10-3,混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應變降幅分別為32.6%和33.8%,此時塔臺損傷明顯區(qū)域由嚴重損壞降至中度損壞。

綜上所述,采用多遇地震設計時,罕遇地震作用下塔臺筒體部分區(qū)域處于嚴重損壞;當對塔臺筒體構件采用設防地震不屈服性能水準進行設計時,罕遇地震下塔臺筒體損傷由嚴重損壞降低為中度損壞,從而有效提升強震下塔臺結構的抗震性能,同時采用性能設計而增加的材料成本可控。

3.5 豎向地震對高聳塔臺抗震性能的影響

考慮塔臺局部出現(xiàn)明顯受拉損傷,同時結構頂部存在懸挑構件,為明確豎向地震對塔臺結構強震損傷的影響,考慮豎向地震作用對塔臺結構進行強震損傷分析。地震波水平主、次方向及豎向的峰值加速度比為1∶0.85∶0.65。

考慮豎向地震作用效應后高聳塔臺結構筒體混凝土受壓損傷和塑性應變分別如圖10、圖11所示,豎向地震作用對塔臺強震損傷的影響列于表8。

圖10 考慮豎向地震時筒體混凝土受壓損傷(x主向)Fig.10 Concrete compression damage of tube considering vertical earthquake action (x main direction)

通過圖10～圖11和表8可知,考慮豎向地震作用后,塔臺筒體剪力墻受壓損傷增大,如天然波1沿y主向作用時考慮豎向地震作用后筒體混凝土受壓損傷由0.47增加至0.50;相對損傷而言,塔臺結構筒體的鋼筋塑性應變增加較為明顯,如天然波1沿y主向作用時考慮豎向地震作用后筒體鋼筋塑性應變由12.77×10-3增加至15.84×10-3,增幅為24%,說明考慮豎向地震作用增大了塔臺筒體的受拉效應,可知高聳塔臺筒體抗震分析中豎向地震作用效應不能忽視;相對豎向地震作用而言,塔臺結構分析中水平地震仍起控制作用。

圖11 考慮豎向地震時筒體鋼筋塑性應變(x主向)Fig.11 Reinforcement plastic strain of tube considering vertical earthquake action (x main direction)

地震作用方向水平地震受壓損傷塑性應變/(×10-3)水平+豎向地震受壓損傷塑性應變/(×10-3)T1x0.4913.490.4913.77y0.4712.770.5015.84T2x0.6514.930.6714.11y0.6012.540.6113.33Rx0.5811.590.6315.14y0.5911.220.5915.14

為進一步分析豎向地震作用對塔臺上部懸挑構件動力響應的影響。采用無量綱參數(shù)表示上部懸挑構件的豎向振動加速度的放大效應,豎向加速度放大系數(shù)為:

(6)

式中:atmax為桿件節(jié)點豎向加速度峰值;abmax為結構地面輸入豎向地震加速度峰值。

管制層懸挑梁外端豎向加速度放大系數(shù)列于表9,豎向加速度觀測點如圖3(b)所示。

可知,罕遇地震作用下懸挑構件外端豎向加速度峰值相對地面豎向加速度輸入峰值的放大系數(shù)在9倍以上,如天然波1沿x主向作用時懸臂桿件外端豎向加速度放大系數(shù)為11.06,說明豎向地震作用下塔臺頂部管制層懸挑構件的豎向振動明顯放大。

表9 管制層懸挑構件豎向加速度放大系數(shù)

4 結論

本文采用非線性時程分析方法對機場高聳塔臺結構的強震損傷進行分析,基于性能化抗震分析方法確定塔臺關鍵構件性能水準并對塔臺結構損傷進行控制,通過分析得出以下結論:

(1) 高聳塔臺結構采用多遇地震設計時,罕遇地震結構層間位移角滿足規(guī)范限值要求,但筒體局部區(qū)域處于嚴重損壞狀態(tài);高聳塔臺結構損傷較大部位位于筒體底部和中部區(qū)域,頂部管制層框架柱處于彈性狀態(tài);相對上部框架構件而言,罕遇地震作用下塔臺筒體是結構的抗震薄弱部位。

(2) 塔臺筒體底部區(qū)域混凝土受壓損傷明顯,而在塔臺筒體中部區(qū)域的鋼筋塑性應變最大,說明罕遇地震下塔臺筒體中部區(qū)域受拉損傷明顯,所以應重視高聳塔臺筒體中部受拉區(qū)域的抗震設計。

(3) 對高聳塔臺筒體底部和中部損傷明顯部位采用設防地震不屈服性能化抗震設計,能夠有效降低結構損傷,如天然波1沿x主向作用時混凝土受壓損傷降幅為32.6%,鋼筋受拉塑性應變降幅為33.8%,同時因性能化抗震設計增加的工程材料成本可控。

(4) 考慮豎向地震作用時,塔臺筒體損傷增大;相對混凝土受壓損傷而言,筒體鋼筋塑性應變增加更為明顯,如天然波1沿y向作用時塑性應變增幅達到24%,罕遇地震作用下頂部懸挑構件豎向加速度相對地面輸入加速度的放大在9倍以上。