抗震性結構設計論文范文

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1結構抗震設計

1.1結構抗震性能目標本工程存在扭轉偏大、樓板不連續(xù)、尺寸突變、豎向構件不連續(xù)、承載力突變等多項不規(guī)則，屬特殊類型高層建筑。結構設計確定的抗震性能目標見表1。由表1可知，本工程采用的性能目標較高，介于《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ3—2010)［2］(簡稱高規(guī))定義的A，B級之間，主要原因有兩個方面:一方面是經(jīng)對比分析，與B級目標相比較，性能目標提高后僅核心筒部分需要增加較少工程造價，對于總體造價而言，增加比例很小的造價即可滿足性能目標要求;另一方面是考慮到結構懸挑比較大，且是乙類建筑，特意提高其性能目標。本工程于2012年6月通過廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查。

1.2結構受力特點及分析地震作用下整個結構有比較復雜的反應，主要有以下幾個方面:一是水平和豎向震動耦合;二是懸挑端有比較大的豎向震動反應，導致核心筒遠離懸挑端一側混凝土承受拉力;三是水平地震和豎向地震引起的整體結構扭轉作用導致結構筒體有比較大的扭轉效應。(1)大震作用下懸挑端位移分析大震作用下懸挑端的位移見表2。由表2可知，X向地震作用下，懸挑遠端Z向位移比較顯著;Y向地震作用下，因結構扭轉造成懸挑遠端Y向水平位移比較顯著。X向地震作用下，懸挑遠端Z向位移由框筒部分的剪彎變形(包含繞Y軸的轉動變形)及懸挑部分自身的豎向彎曲變形組成;Y向地震作用下，懸挑遠端Y向位移由框筒部分繞Z軸的轉動變形和懸挑部分自身的水平彎曲變形組成。(2)小震Y向作用下核心筒的總力矩分析圖6給出了核心筒外筒墻、柱編號，表3給出了各墻體在Y向小震作用下的剪力及其相對于核心筒形心點O的力臂。由表3可知，核心筒外筒墻體對核心筒形心點O的力矩之和為979014kN•m。Y向地震作用為61147kN，等效力臂為979014/61147=16.01m。此巨大力矩將通過內(nèi)藏鋼骨的核心筒傳遞至地下室的核心筒，再傳至基礎。(3)核心筒外筒墻體軸向內(nèi)力分析表4給出了小震、大震作用下核心筒外筒墻體軸向內(nèi)力，其中小震作用考慮恒荷載和活荷載及風荷載，大震作用僅考慮恒荷載和活荷載，活荷載均按最不利布置(僅懸挑部分有活荷載)。從表4可看出，小震作用下，墻體Q2，Q5均受壓，墻體Q3受拉，墻體Q1總體是以受壓為主，但其與墻體Q3相連端受拉;在大震作用下，墻體Q1，Q3受拉，墻體Q2在4層以上受壓、在4層及其以下受拉，墻體Q5在5層以上受壓、在5層及其以下受拉。(4)核心筒外筒墻體剪壓比分析圖7給出大震作用下核心筒外筒墻體的剪壓比曲線，其中剪力按照墻體中混凝土和型鋼所能承擔的比例分配，此處用于計算剪壓比的剪力為混凝土部分承擔的剪力。由圖7可見，大震作用下核心筒外筒墻體的剪壓比均小于限值0.18，滿足設定抗震性能目標的要求。圖7核心筒外筒墻體剪壓比曲線(5)懸挑部分豎向地震作用及其收斂分析通過SATWE和ETABS軟件，采用振型分解反應譜法與彈性時程分析法對比分析了豎向地震作用下結構的反應，得到了豎向地震作用下懸挑部分的豎向地震作用系數(shù)(即懸挑部分所承受的總豎向地震力與懸挑部分的重力荷載代表值的比值)。懸挑部分恒荷載總重GDL=58269kN，活荷載總重GLL=7822kN，懸挑部分結構重力荷載代表值GE=GDL+0.5GLL=62180kN，故小震作用下懸挑部分的豎向地震作用系數(shù)α小震=2641kN(小震豎向地震力)×1.25(小震放大倍數(shù))/62180kN=0.053，在大震作用下豎向地震作用系數(shù)為α大震=16145kN(大震豎向地震力)/62180kN=0.260。高規(guī)中并未規(guī)定7度(0.10g)時的豎向地震作用系數(shù)，但參照高規(guī)插值，可以得到7度(0.10g)時的豎向地震作用系數(shù)為0.05，本文如不考慮1.25放大系數(shù)，其豎向地震作用系數(shù)僅為0.0424，小于0.05，故在采用振型分解反應譜法計算豎向地震作用時應注意其所計算的豎向地震作用是否達到高規(guī)規(guī)定值。Z向地震時程分析所得的豎向剪力平均值與彈性反應譜分析所得的豎向剪力之比為2987/3389=0.88。盡管不同位置的構件內(nèi)力隨豎向振型參與系數(shù)的變化是不一致的，但是當振型參與系數(shù)在15%～90%之間時，其豎向地震引起的構件內(nèi)力增長非常緩慢，此與高層結構有較大不同。

1.3結構性能化設計措施(1)為提高剪力墻連梁的延性，在連梁中配置型鋼，并加強其腰筋及箍筋配置(配筋率不小于0.4%且不小于計算配筋)。(2)在核心筒剪力墻中配置型鋼，一是為了承擔部分剪力及彎矩;二是與墻體豎向鋼筋共同承擔拉力。(3)通過核心筒的連梁來實現(xiàn)結構耗能，雖然連梁中設置了型鋼，但墻體中也設置了型鋼，相對于墻肢而言，連梁截面內(nèi)力遠小于墻體截面，所以地震作用時是連梁首先發(fā)生彎曲破壞，起耗能作用。雖然結構承載力已按較高的性能目標實現(xiàn)，但為使結構具有較好的塑性變形能力，結構仍然按高延性設計，核心筒及框架柱抗震等級為一級，鋼構件抗震等級為二級。

2結構計算分析

2.1振動模態(tài)采用SATWE，ETABS軟件進行多遇地震作用下的計算對比分析。ETABS軟件計算得到的結構的振型圖如圖8所示(兩種軟件計算得到的振型一致)，由圖8可以看出，懸挑部分有較大的振動反應。

2.2整體分析結果對比由SATWE，ETABS軟件計算的結構總體指標對比見表5。由表5可知，兩個軟件計算的結果比較接近，相符度較好。SATWE軟件計算的整體穩(wěn)定性驗算指標剛重比X向為117.86，Y向為46.79，均大于規(guī)范限值2.7(不考慮二階效應的限值);ETABS軟件計算的整體穩(wěn)定性驗算指標剛重比X向為106，Y向為46.79，均大于規(guī)范限值1.4(穩(wěn)定限值)和2.7(不考慮二階效應的限值)。

2.3施工卸載模擬計算懸挑桁架部分采用滿堂腳手架施工，腳手架支承于地下室頂板上，地下室頂板考慮60kN/m2的施工荷載。采用分段吊裝的施工方案，桁架在現(xiàn)場焊接成型，采用塔吊和汽車吊相結合的方法完成吊裝(圖9)。全部鋼結構構件安裝完畢后再進行腳手架卸載，卸載順序為由遠端向根部逐漸延伸，在卸載過程中應對鋼結構變形及位移進行現(xiàn)場測量。卸載完畢后，開始安裝鋼筋桁架，澆筑樓板，砌筑固定隔墻，然后封閉樓板后澆帶。圖9施工方案示意圖本工程進行了施工卸載模擬分析，分四步拆腳手架，首先拆第四節(jié)下對應的腳手架，接著拆第三節(jié)、第二節(jié)、第一節(jié)下對應的腳手架。卸載過程遠端位移模擬顯示懸挑遠端滿足《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017—2003)［3］(簡稱鋼規(guī))要求，雖卸載過程與使用狀態(tài)下的結構支撐條件和荷載作用條件不同，但卸載過程中構件的內(nèi)力符號沒有發(fā)生變化，且其應力比均小于正常使用狀態(tài)下的應力比。

2.4防連續(xù)倒塌分析與設計對于防連續(xù)倒塌的分析，參考高規(guī)采用了兩種方法:一是拆除構件法;二是施加表面荷載法。(1)KZ1是受荷最大、最為重要的柱，所以對其按拆除構件法驗證是否滿足防連續(xù)倒塌的要求。計算結果表明，與所拆除構件直接相連的構件最大應力比為［(0.69/1.35)/1.25］×2=0.818，斜拉腹桿最大應力比為(1.13/1.35)/1.25=0.67，其余各構件應力比均小于1。(2)對于桁架的主要弦桿和腹桿，采用在構件表面附加80kN/m2側向荷載的方法進行驗證分析，分三步進行:第一步是按未加側向荷載進行計算;第二步是將構件從整體結構中取出來，施加側向荷載進行內(nèi)力計算;第三步是疊加前兩步內(nèi)力。計算結果見表6，由表6可知，桁架一的主要桿件應力比均小于1.0。

2.5人群荷載下樓蓋振動舒適度驗算由于樓蓋結構的跨度比較大，故對其進行了舒適度研究，采用MIDAS/Gen進行樓蓋振動舒適度分析。樓蓋振動舒適度分析考慮兩種人群荷載工況:工況一為21人同頻率、同相位行走;工況二為60人同頻率、不同相位行走的。計算結果表明，樓蓋最大振動加速度為0.0452m/s2，滿足規(guī)范限值0.05m/s2要求。

2.6樓蓋風振時程分析基于風洞試驗實測數(shù)據(jù)，結合風速時程樣本，采用MIDAS/Gen軟件模擬結構風振［5］，本工程中只考慮順風向風速的影響，采用了Davenport脈動風速譜，參考深圳市氣象局近年來的風速統(tǒng)計資料，設定參考風速，以MonteCarlo法為基礎采用諧波疊加法，設定關心的頻率始值和終值，隨機產(chǎn)生風速時程曲線。局部風振時程荷載按點荷載直接施加于模型相應測點處。分析結果表明，不同風振時程樣本引起的樓蓋最大加速度差別較大，這主要是由于隨機生成的風振時程的自身差異所導致的;基于本文的時域分析方法及風振報告提供的頻率方法(其中樓蓋振動最大加速度為0.221m/s2)計算出的樓蓋風振效應均很明顯。針對本工程而言，風荷載引起的豎向振動是設計的控制因素。

3關鍵節(jié)點設計及有限元分析

懸挑桁架從混凝土核心筒及外框柱伸出，第7層E，B點(圖3)處節(jié)點交匯桿件達11根，節(jié)點受力比較復雜。懸挑桁架下弦桿根部彎矩非常大，盡管鋼材已采用Q420GJC，但板厚仍超過100mm，基于此提出了解決桁架根部局部彎矩過大的新型節(jié)點，見圖10。此節(jié)點通過對工字形截面翼緣板加下掛板的方式，變相增加了翼緣板的寬度。此種做法一是可以減小板厚，降低焊接難度;二是相對于箱形截面其便于焊接和混凝土澆搗。節(jié)點分析擬考慮兩種荷載工況:一是大震作用工況;二是構件屈服工況，即加載至某構件(根據(jù)大震的分析結果，選取承載能力利用率最高的構件)發(fā)生屈服。選取桁架一下弦桿梁柱節(jié)點及桁架二下弦桿梁墻節(jié)點進行節(jié)點分析。采用MIDAS/FEA［7］進行分析。大震作用下節(jié)點應力云圖如圖11所示，結果表明，節(jié)點區(qū)幾乎所有的鋼構件均保持在彈性狀態(tài)，混凝土受拉及受壓均保持在彈性狀態(tài)，節(jié)點區(qū)構件滿足承載能力極限狀態(tài)的要求。構件屈服工況下節(jié)點應力云圖如圖12所示，結果表明，應力最大鋼構件中和軸以下全部發(fā)生屈服時，節(jié)點核心區(qū)內(nèi)板件仍保持在彈性狀態(tài)，節(jié)點板屈服區(qū)域僅分布在以屈服構件相連的局部區(qū)域，沒有向節(jié)點板核心區(qū)擴展，滿足“強節(jié)點、弱構件”的控制要求。

4結語

本項目單邊大懸挑，其懸挑長度遠遠超常規(guī)結構，結構復雜，其設計具有比較大的挑戰(zhàn)性。針對其特殊復雜的結構體系，采取了一系列特殊結構分析，提出了解決局部彎矩的新型節(jié)點。

作者：景守軍 唐增洪秦帆胡鳴馮育達莫德明單位：深圳機械院建筑設計有限公司