胡曉文 聶 鑫

(1.清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；2.清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)正在飛速發(fā)展，傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)結(jié)構(gòu)形式的要求也在逐步提高[1]。傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房過(guò)去多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，其側(cè)向剛度大，價(jià)格較低，缺點(diǎn)是質(zhì)量大、施工工期長(zhǎng)、易開裂等。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和鋼產(chǎn)量的大幅提高，鋼結(jié)構(gòu)體系在傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房中逐漸得到應(yīng)用，其特點(diǎn)是施工速度快，但側(cè)向剛度小，用鋼量偏大。

近年來(lái)，傳統(tǒng)立式工業(yè)廠房呈現(xiàn)出荷載等級(jí)不斷提高和跨度逐漸增大的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)建筑的經(jīng)濟(jì)性和綜合效益越來(lái)越重視，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式和鋼結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)逐漸不能滿足設(shè)計(jì)、建造和使用的要求[1]。與鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)顯著，造價(jià)比鋼結(jié)構(gòu)低，側(cè)向剛度比鋼結(jié)構(gòu)大，施工性能和抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2-5]。立式糧倉(cāng)廠房需要進(jìn)行糧食的堆放、儲(chǔ)存，儲(chǔ)糧層承受荷載較重，可達(dá)30 kN/m2，采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式會(huì)帶來(lái)更好的綜合效益。

在進(jìn)行立式工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系的綜合效益進(jìn)行分析比較，包括構(gòu)件尺寸、有效使用空間、工程造價(jià)、使用性能、抗震性能等。為此，本文以海南省某糧倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)為研究背景，首先通過(guò)MIDAS.GEN和PKPM對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，并對(duì)三種不同的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析；然后采用基于 MSC.MARC 平臺(tái)開發(fā)的組合結(jié)構(gòu)體系非線性分析程序 COMPONA-MARC建立桿系模型，開展推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析。通過(guò)研究該糧倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能、抗推覆性能和抗震性能，分別對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比，為立式工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

擬建糧倉(cāng)廠房共四層，首層層高9 m，二層層高6 m，三層層高6 m，電梯機(jī)房層高4.5 m，結(jié)構(gòu)總高度25.5 m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)50.1 m，寬36.6 m，樓蓋總面積1 833.66 m2。其中，首層和二層跨度11.1 m，三層跨度18.3 m，電梯機(jī)房跨度9.6 m。結(jié)構(gòu)的立面布置如圖1所示。

圖1 糧倉(cāng)廠房框架的立面布置 mmFig.1 The elevation layout for a granary workshop

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載

擬建糧倉(cāng)廠房首層、二層為儲(chǔ)糧層，樓面恒載2 kN/m2，樓面活荷載考慮儲(chǔ)糧荷載較大，取為30 kN/m2；屋面恒載4 kN/m2，屋面活荷載考慮電梯機(jī)房和其他屋面區(qū)域的功能差異，荷載取值分別為7 kN/m2及2 kN/m2；電梯機(jī)房樓面恒載4 kN/m2，樓面活荷載取為2 kN/m2。各設(shè)計(jì)取值均滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[6-7]。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

擬建糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 a，設(shè)計(jì)使用年限50 a。建筑的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，周期折減系數(shù)為0.7?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震等級(jí)為三級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)多層糧倉(cāng)廠房都是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，首先進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)?；炷敛捎肅40，鋼筋采用HRB400。首層、二層樓板板厚160 mm，三層、電梯機(jī)房樓板板厚140 mm?；炷翗前?、梁和柱的鋼筋配置均根據(jù)PKPM設(shè)計(jì)結(jié)果予以適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。各層構(gòu)件布置分別如圖2～4所示，各層構(gòu)件的截面尺寸分別如表1和表2所示。

圖2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)首層、二層平面布置 mmFig.2 The plan layout for the first and second floors of the concrete structure

圖3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屋面平面布置 mmFig.3 The plan layout for the roof of the concrete structure

圖4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電梯機(jī)房層平面布置 mmFig.4 The plan layout for the lift room floor of the concrete structure

表1 混凝土矩形框架梁截面尺寸Table 1 Sectional dimensions for concrete rectangular beams mm

表2 混凝土矩形框架柱截面尺寸Table 2 Sectional dimensions for rectangulan concrete columns mm

2.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

由于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的方案結(jié)構(gòu)截面尺寸大，質(zhì)量大，加上近年來(lái)又在大力提倡發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。鋼框架結(jié)構(gòu)采用矩形鋼管柱、焊接工字形鋼梁，鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345。首層、二層樓板板厚160 mm，板頂負(fù)筋為雙向φ12@200，上部分布筋為φ6@110，下部垂直桁架方向受力筋為通長(zhǎng)φ12@200。三層、電梯機(jī)房樓板板厚140 mm，板頂負(fù)筋為雙向φ8@200，上部分布筋為φ6@130，下部垂直桁架方向受力筋為通長(zhǎng)φ8@200。采用φ16圓柱頭栓釘，每根鋼梁上布置兩列，橫向間距70 mm，縱向間距 200 mm。各層構(gòu)件布置分別如圖5～7所示，各層構(gòu)件的截面具體尺寸分別如表3和表4所示。

表3 鋼結(jié)構(gòu)工字形鋼梁截面尺寸Table 3 Sectional dimensions for steel I-beams of the steel structure mm

表4 鋼結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸Table 4 Sectional dimensions for columns of the steel structure mm

圖5 鋼結(jié)構(gòu)首層、二層平面布置 mmFig.5 The plan layout for the first and second floors of the steel structure

圖6 鋼結(jié)構(gòu)屋面平面布置 mmFig.6 The plan layout for the steel structure roof

圖7 鋼結(jié)構(gòu)電梯機(jī)房層平面布置 mmFig.7 The plan layout for the lift room floor of the steel structure

2.3 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

由于鋼結(jié)構(gòu)方案用鋼量大，經(jīng)濟(jì)性差，故在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)行鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架采用矩形鋼管混凝土柱，框架梁采用焊接工字形鋼梁。鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q345，混凝土采用C40級(jí)。首層、二層樓板板厚140 mm，板頂和板底均配置雙向φ14@80縱向鋼筋，栓釘高100 mm。三層、電梯機(jī)房樓板板厚120 mm，板頂和板底均配置雙向φ12@100縱向鋼筋，栓釘高80 mm。采用φ16圓柱頭栓釘，每根鋼梁上布置三列，橫向間距90 mm，縱向間距 100 mm。各層構(gòu)件布置分別如圖8～10所示，各層構(gòu)件的截面具體尺寸分別如表5和表6所示。

表5 工字形組合梁截面尺寸Table 5 Sectional dimensions for composite I-beams of the composite structures mm

表6 組合結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸Table 6 Sectional dimensions for columns of the composite structure mm

圖8 組合結(jié)構(gòu)首層、二層平面布置 mmFig.8 The plan layout for the first and second floors of the composite structure

2.4 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

2.4.1質(zhì)量比較

統(tǒng)計(jì)上述立式糧倉(cāng)廠房鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)所受重力，結(jié)果如表7所示。對(duì)比表明，相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架質(zhì)量降低56.7%；而相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架質(zhì)量降低10.7%。

圖9 組合結(jié)構(gòu)屋面平面布置 mmFig.9 The plan layout for the composite structure roof

圖10 組合結(jié)構(gòu)電梯機(jī)房層平面布置 mmFig.10 The plan layout for the lift room floor of the composite structure

2.4.2用鋼量比較

統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案的結(jié)構(gòu)整體用鋼量，結(jié)果如表8所示。相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)用鋼量減少23.7%。

表8 結(jié)構(gòu)用鋼量統(tǒng)計(jì)Table 8 Statistics of structure steel consumption t

統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案的鋼梁用鋼量，結(jié)果如表9所示。相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)鋼梁用鋼量減少21.6%。

表9 梁用鋼量統(tǒng)計(jì)Table 9 Statistics on steel consumption of beams t

表7 框架結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Table 7 Overall weight statistics of the frame structures t

統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案柱的用鋼量，結(jié)果如表10所示。相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)柱的用鋼量減少27.8%。

表10 柱用鋼量統(tǒng)計(jì)Table 10 Statistics on steel consumption of columns t

2.4.3主梁高度比較

統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中儲(chǔ)糧層和屋面橫向主梁的高度，結(jié)果如表11所示。相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)框架的橫向主梁高度首層、二層降低46.4%，三層降低33.3%；相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的橫向主梁高度首層、二層降低16.7%，三層降低25.0%。

表11 結(jié)構(gòu)橫向主梁高度比較Table 11 Height comparisons of transverse main beams mm

統(tǒng)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中儲(chǔ)糧層和屋面縱向主梁的高度，結(jié)果如表12所示。相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的縱向主梁高度首層、二層降低25.0%，三層降低42.9%；相比鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的縱向主梁高度首層、二層降低13.3%，三層降低38.5%。

表12 結(jié)構(gòu)縱向主梁高度比較Table 12 Height comparisons of longitudinal main beams mm

從上述對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和分析可知：與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案相比，采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)方案，能夠有效地減小構(gòu)件的截面尺寸、增加有效使用空間以及顯著地降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量；與鋼結(jié)構(gòu)方案相比，可以明顯地降低用鋼量等，綜合效益顯著。這是因?yàn)殇?混凝土組合結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮混凝土和鋼材各自的材料性能，鋼梁和混凝土翼板通過(guò)栓釘形成整體共同受力[1]，組合梁截面整體受彎，增大了截面的彎曲剛度，提高了截面的抗彎承載力。

3 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算方法

首先，基于設(shè)計(jì)軟件MIDAS.GEN對(duì)立式糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)分析，計(jì)算不同荷載組合作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力。接下來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件PKPM對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行配筋，并統(tǒng)計(jì)三種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)自重、用料情況以及主梁高度等參數(shù)。然后，基于有限元計(jì)算軟件MSC.MARC進(jìn)行推覆荷載下的靜力彈塑性分析和地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，考察不同的立式糧倉(cāng)廠房框架結(jié)構(gòu)在推覆荷載和地震作用下的整體側(cè)移和層間變形，以及極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的出鉸情況和破壞模式等。

結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算采用清華大學(xué)組合結(jié)構(gòu)課題組基于MSC.MARC平臺(tái)開發(fā)的非線性分析子程序包COMPONA-MARC。在建立非線性纖維梁柱模型時(shí)，樓板平面內(nèi)變形按剛性樓蓋假定考慮，樓板平面外變形對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響采用考慮樓板空間組合效應(yīng)的桿系模型來(lái)模擬[8-9]。

采用文獻(xiàn)[10]中建立的非線性單軸材料本構(gòu)關(guān)系，其中混凝土材料模型可考慮多次加、卸載后強(qiáng)度和剛度的退化行為；鋼材和鋼筋模型能夠合理地考慮其在往復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)。此桿系模型能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性滯回性能，其精度和數(shù)值穩(wěn)定性已得到驗(yàn)證[11-15]。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推覆分析時(shí)，采用基于多點(diǎn)位移控制的位移推覆方法[16]。該方法通過(guò)附加剛性位移約束方程，確保各層水平荷載按恒定比例分布，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在結(jié)構(gòu)從彈性階段發(fā)展到最終完全失去水平承載力時(shí)的全過(guò)程分析，因此可以作為結(jié)構(gòu)倒塌分析的有效手段。

模擬中采用分布質(zhì)量模型，將每個(gè)梁格內(nèi)樓面的重力荷載代表值按照45°方向分配到周邊梁上，并換算成梁?jiǎn)卧拿芏?。次梁與框架梁鉸接，參與結(jié)構(gòu)的豎向受力。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 方案力學(xué)性能比較

選取三種結(jié)構(gòu)方案同一位置的梁和柱，對(duì)比不同的結(jié)構(gòu)形式在豎向荷載作用以及罕遇地震作用下的鋼材或者鋼筋應(yīng)力值，結(jié)果如表13、14所示。所選取梁和柱的位置見圖2、5、8紅色標(biāo)志處。

表13 豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力值Table 13 Stress values of structural members under vertical loads MPa

由上述三種結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比結(jié)果可知，在豎向荷載和地震荷載作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)件處于大致相當(dāng)?shù)膽?yīng)力控制水平之下。

4.2 靜力推覆分析

4.2.1全過(guò)程曲線分析

采用倒三角荷載模式，對(duì)上述立式糧倉(cāng)廠房的三種框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有限元模型研究，得到的靜力推覆全過(guò)程曲線如圖11所示。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的承載力顯著提高，并且表現(xiàn)出良好的延性；而與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)剛度更大，承載力更高。

表14 罕遇地震(Taft波)作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力值Table 14 Stress values of structural members under rare earthquake loads MPa

組合結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)；混凝土結(jié)構(gòu)。圖11 靜力推覆全過(guò)程曲線Fig.11 Whole process curves of pushover analysis

4.2.2結(jié)構(gòu)破壞形式

a—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)-Y向；b—鋼結(jié)構(gòu)-Y向；c—鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)-Y向。柱端出鉸；梁端出鉸。圖12 結(jié)構(gòu)初始出鉸分布Fig.12 Initial hinge distribution of the structure

定義出鉸為組合梁纖維截面的外邊緣纖維屈服[14]，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)的初始出鉸位置分布如圖12所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，底層為柱端先出鉸，不滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這是由于在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，參考的GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中有關(guān)柱軸壓比的規(guī)定限值偏高，因此設(shè)計(jì)出來(lái)的柱截面尺寸偏小；加之糧倉(cāng)結(jié)構(gòu)承受的荷載大，設(shè)計(jì)的框架梁尺寸較大，形成“強(qiáng)梁弱柱”的局面[17]，導(dǎo)致在罕遇地震下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件不會(huì)屈服。鋼結(jié)構(gòu)底層有一部分為柱端先出鉸，另外一部分為梁端先出鉸。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)底層均為梁端先出鉸，使梁成為第一道有效的抗震防線。

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下塑性鉸的分布如圖13所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)均為柱端出鉸，鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁端和柱端均有出鉸。縱觀結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過(guò)程，鋼結(jié)構(gòu)柱端出鉸大部分先于梁端出鉸，而鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在各層均為梁端出鉸先于柱端出鉸。

a—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)-Y向；b—鋼結(jié)構(gòu)-Y向；c—鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)-Y向。柱端出鉸;梁端出鉸。圖13 結(jié)構(gòu)最終出鉸分布Fig.13 Final hinge distribution of the structure

綜合上述分析可知，立式糧倉(cāng)廠房采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能夠在結(jié)構(gòu)各層中均形成兩道抗震防線，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌能力得到大幅提高。

4.3 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

4.3.1地震波選取與輸入

根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]要求，選取了3組地震波(El Centro波、Taft波和Bonds波)，采用X、Y向輸入，地震波峰值加速度之比為1∶0.85。圖14為計(jì)算選取的地震波時(shí)程曲線，其中El Centro波和Taft波持時(shí)為55 s，Bonds波持時(shí)為35 s。由于該糧倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度為8度(0.30g)，因此多遇地震的峰值加速度為110 cm/s2，罕遇地震的峰值加速度為510 cm/s2。

El Centro;Taft；Bonds。圖14 地震波加速度時(shí)程曲線Fig.14 Time-history curves of acceleration for seismic waves

El Centro波;Taft波；Bonds波；GB 50011—2010反應(yīng)譜。圖15 地震波反應(yīng)譜曲線Fig.15 Response spectrum curves of seismic waves

計(jì)算選取的地震波反應(yīng)譜曲線如圖15所示，可見鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型的1階自振周期(0.325 s)在GB 50011—2010中的地震影響系數(shù)曲線與用于主方向輸入的Taft波的地震影響系數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)較為接近，且后者略大；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)模型的1階自振周期(1.081 s)和鋼結(jié)構(gòu)模型的1階自振周期(1.128 s)的地震影響系數(shù)曲線與用于主方向輸入3條地震波的地震影響系數(shù)曲線對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)都較為接近。3種結(jié)構(gòu)形式的阻尼比均取為5%。

4.3.2結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)程

在罕遇地震作用下，X方向的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)較大，該方向不同結(jié)構(gòu)體系的頂層位移時(shí)程曲線如圖16所示。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下的位移響應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)均基本相等且前者略??；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在El Centro波和Bonds波作用下的位移響應(yīng)明顯大于鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，而在Taft波作用下的位移響應(yīng)略大于鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

a—El Centro波；b—Taft波；c—Bonds波。鋼結(jié)構(gòu);鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。圖16 頂層位移時(shí)程曲線Fig.16 Time-history curves of displacement on the structure top

對(duì)時(shí)程波作用下各層的層間位移角取包絡(luò)，結(jié)果如表15所示。在多遇地震和罕遇地震作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形明顯大于鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，而鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的變形略小于鋼結(jié)構(gòu)。

表15 最大層間位移角Table 15 The maximum story drifts

綜上所述，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式糧倉(cāng)廠房采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能夠降低結(jié)構(gòu)頂層的位移響應(yīng)和最大層間位移角，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，可以減弱結(jié)構(gòu)的剪切變形效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，降低結(jié)構(gòu)的破壞程度。

4.3.3結(jié)構(gòu)破壞形式

3種結(jié)構(gòu)在El Centro波罕遇地震作用下的破壞模式如圖17所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的塑性鉸全部出現(xiàn)在柱端，而鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的梁端和柱端均有塑性鉸的分布。

縱觀立式糧倉(cāng)廠房結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過(guò)程，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底層為柱端出鉸；而鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)底層均為梁端先出鉸，使梁成為第一道防線，進(jìn)而柱端出鉸成為第二道防線；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)二層均為柱端出鉸，而鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)二層依舊是梁端先出鉸而柱端后出鉸。

綜合上述分析可知，在罕遇地震和多遇地震作用下，立式糧倉(cāng)廠房采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系能夠在結(jié)構(gòu)各層中均形成兩道抗震防線，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比，可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，使整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。這是因?yàn)殇?混凝土組合結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，地震作用相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有所降低；栓釘能夠有效地阻止鋼梁與混凝土翼板之間的相對(duì)滑移和掀起[1]，使鋼梁與混凝土翼板處于整體受力狀態(tài)，從而提高鋼梁的穩(wěn)定性和整體性，改善鋼梁的動(dòng)力性能。

a—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)-X向；b—鋼結(jié)構(gòu)-X向；c—鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)-X向；d—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)-Y向；e—鋼結(jié)構(gòu)-Y向；f—鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)-Y向。柱端出鉸；梁端出鉸。圖17 結(jié)構(gòu)破壞模式Fig.17 Failure modes of the structure

5 結(jié)束語(yǔ)

1)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析結(jié)果表明，立式工業(yè)廠房采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系時(shí)，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系相比可以明顯減小構(gòu)件的截面尺寸、增加有效使用空間以及顯著地減輕結(jié)構(gòu)自重；與鋼結(jié)構(gòu)體系相比能夠有效地降低用鋼量等，綜合效益顯著。

2)靜力彈塑性推覆分析結(jié)果表明，立式工業(yè)廠房采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系能獲得更高的承載力和更好的延性，并且防止結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)柱端先出鉸的破壞模式；同時(shí)比鋼結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出更大的結(jié)構(gòu)剛度和更好的整體穩(wěn)定性，有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能。

3)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的結(jié)果表明，立式工業(yè)廠房采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系大幅降低，可以有效地減小地震作用以及降低結(jié)構(gòu)的破壞程度；同時(shí)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)各層均可形成兩道抗震防線，能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌能力，相比鋼結(jié)構(gòu)體系具有更加優(yōu)越的抗震性能。

綜上所述，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系以其優(yōu)越的受力性能、便捷的施工性能和良好的綜合效益，在多層立式工業(yè)廠房中具有廣闊的應(yīng)用前景。