特殊桁架抗弯框架体系在地震区的应用

朱光耀

(上置毅家投资管理(上海)有限公司,上海 200010)

1 工程概况

本项目是将2层地下室之上原有建筑拆除后,新建的品牌零售店。地上建筑面积1 951 m2,由后场区和前场区组成。后场区1层,功能为会议、办公和设备间。前场区2层,结构总高度12.6 m,功能为零售和少量办公,其特点是大跨度、大悬挑。

项目设计使用年限为50年,所在地抗震设防烈度为8度,场地类别Ⅱ类,设计基本地震加速度值0.2 g,设计地震分组为第二组,抗震设防类别为丙类。50年重现期的基本风压为0.45 kN/m2,基本雪压为0.40 kN/m2。

2 结构体系

2.1 竖向传力体系

在满足建筑效果和使用功能的同时,为减少对现有地下室结构的影响,地上结构采用钢结构。除特殊构件外,地上新建钢结构均采用Q345B级钢材。

2层和屋盖结构平面布置图见图1。2层室内和②轴以东的建筑首层为主要的展示和销售区域,即前场区。建筑要求空间内不得暴露结构柱,故结构设计结合南北山墙布置4根巨型钢柱(截面H1 000 mm×800 mm×40 mm×50 mm),作为前场区2层楼面和屋盖结构的竖向支撑,2层楼面采用1 200 mm 高钢桁架上铺130 mm厚现浇混凝土压型钢板楼面。

②轴以西的建筑首层为后场区,布置了12根钢柱,采用常规钢框架结构,其顶部采用实腹钢梁上铺130 mm厚现浇混凝土压型钢板组合楼面。

屋盖结构采用双向正交的钢桁架系统,桁架上、下弦平面内分别设置水平支撑,以增强屋盖平面内刚度。屋盖桁架高度1 500 mm,靠近悬挑端部时逐渐收缩为变截面实腹钢梁。屋盖下部为室内空间的区域铺设轻型压型钢板作为保温层和防水层的支撑。

图1 结构平面布置图

2.2 结构抗侧体系概述

本项目前场区的两层钢结构主要由4根钢柱支撑,其中北侧2根钢柱落在地下室混凝土框架柱顶部,南侧2根钢柱落在地下室混凝土框架梁的近似跨中位置,形成转换结构。4根钢柱在东西和南北两个方向均形成单跨框架体系。根据《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》第8.1.5条,甲、乙类建筑和高层的丙类建筑不应采用单跨框架,多层的丙类建筑不宜采用单跨框架。本项目属于多层的丙类建筑,属于不宜采用单跨框架之列。在不影响建筑使用功能的前提下,结构设计采用以下解决方案,保证结构抗侧体系的经济、合理。

2.3 东西方向——屈曲约束支撑框架(BRBF)

巨型钢柱在东西方向上的跨度为11m,钢柱之间可在建筑山墙内布置人字形支撑,以形成框架—偏心支撑体系。本项目共使用8根耗能型屈曲约束支撑(BRB),布置于首层及2层的东西向钢柱之间,与钢柱及楼面桁架共同组成东西向的主要抗侧力体系,见图2。

图2 轴剖面图——BRB支撑钢框架

BRB构件两端与钢框架之间采用销轴连接,在结构侧向位移时,施加在BRB构件上的始终保持为轴向变形,符合BRB预设的受力特性。同时,BRB须在主体钢结构结构安装以及楼面混凝土浇筑完毕后安装,以避免施工过程中竖向荷载在BRB内引起附加内力。

2.4 南北方向——特殊桁架抗弯框架(STMF)

巨型钢柱在南北方向上的跨度约22 m,为主要的展示和零售区,根据建筑使用要求,零售区内既不能加柱,也不能设置支撑。故而结构设计在南北方向引入特殊桁架抗弯框架体系。

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特殊桁架抗弯框架是一种适用于高烈度地震区的延性框架体系,见图3。通过在楼面桁架中设置特殊段和耗能构件,使得结构在地震作用下,特殊段内的耗能构件优先耗能屈服,实现强柱弱梁的屈服机制,提高结构延性并实现预定的抗震性能目标[1]。当柱子跨度较大时,其经济性往往优于普通钢框架。美国国家标准《钢结构建筑抗震规定(ANSI/AISC 341—16)》中对特殊桁架抗弯框架体系有较详细规定[2]。

美国建筑结构荷载规范ASCE-7采用响应修正系数(Response Modification Coefficient)R将弹性地震力折减至设计地震力,不同结构体系的R值从1～8不等,延性越高的结构体系其R值越高[3]。特殊桁架抗弯框架的地震响应修正系数R=7,远高于R=3.5的普通钢框架体系。可见，特殊桁架抗弯框架是一种延性较好的钢结构体系。

图3 特殊桁架抗弯框架屈服机制

本项目南北向的抗侧体系采用特殊桁架抗弯框架(STMF),用于耗能的特殊区段设置在②轴和③轴的楼面和屋盖钢桁架跨中位置,见图4。

图4 ③轴剖面图——特殊桁架抗弯框架

屋盖和2层桁架特殊区段位于桁架跨中,长度分别为9.45 m和5.55 m,其与跨度的比值分别为0.43和0.25,均介于0.1到0.5之间。特殊区段节间长度与高度之比分别为1.31和1.03,均介于0.67到1.5之间,符合相关规定。

特殊区段内节间以交叉斜腹杆作为主要耗能构件。交叉斜腹杆采用钢材强度等级为LY225的实心方钢,截面边长分别为45 mm和38 mm。方钢通过节点板与桁架上、下弦杆焊接连接。根据ANSI/AISC 341—16规定,在特殊段内不允许弦杆构件的拼接,在距离特殊段的端部的一半节间长度内也不允许拼接。结合构件公路运输考虑,本项目的拼接位置见图5。另外,为减少在竖向荷载下特殊段交叉斜腹杆的应力,本项目要求在钢桁架安装完毕后,荷载和主要附加恒载已经施加完毕后,再焊接安装交叉斜腹杆。

图5 桁架特殊区段的立面图

3 结构弹性分析

3.1 设计依据

本项目主要按照现行国家标准进行结构分析和设计,特殊桁架部分参照ANSI/AISC 341—16进行设计。业主方组织专家在方案阶段进行咨询论证,专家咨询意见也是本项目结构设计的依据。

3.2 主要参数

按照《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》,钢结构抗震等级为三级,特殊桁架的特殊区段作为主要耗能部位,抗震等级取二级。小震作用下的结构响应采用振型分解反应谱法进行分析,采用刚性楼面假定,结构嵌固位置取地下室顶面,反应谱曲线按《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》的相应规定进行取值,阻尼比取0.04[4]。

3.3 小震弹性分析结果

振型分析得到的前4阶振动周期分别为：0.85 s(南北向平动)，0.72 s(扭转)，0.65 s(屋盖竖向振动)，0.61 s(东西向平动)。

小震作用下,结构在东西、南北向的最大层间位移角分别为1/628、1/517,均满足小于1/250的限值要求。层间位移比分别为1.19、1.05,均小于1.2,属于扭转规则结构。

小震作用下,结构在东西、南北向的剪重比分别为0.12、0.09,均满足大于0.032的限值要求。

3.4 竖向荷载作用下的结构变形

本项目一个显著的结构特点就是屋面的大悬挑,屋面东、西两侧的悬挑跨度分别达到了14.7 m和11.8 m。以东侧悬挑为例,最远端在恒载、屋面活荷载和风荷载下的竖向位移分别为127.1、29.8 mm和32.4 mm,显然悬挑桁架必须预起拱。预起拱之后,活荷载和风荷载引起的最大变形为1/236,小于预设的1/180变形限值要求。

3.5 楼面舒适度分析

本项目室内2层是零售区,楼面的柱间跨度为11 m,自③轴向东侧悬挑5.26 m,见图1。因此楼面舒适度需要满足实际使用需求。选取最不利的4处位置进行舒适度计算,计算结果见表1。

表1 楼面舒适度响应

因使用方本项目对振动舒适度要求较高,故结构设计在2层楼面振动最不利位置共布置4对调谐质量阻尼器(TMD),见图1。初步分析表明,若安装TMD之后,行人行走引起的楼面竖向加速度峰值将大幅降低,其数值已达到住宅使用的舒适度要求,见表2。TMD将在2层楼面荷载基本施加完毕后,由专业厂家对楼面结构振动特性进行测试,根据测试结果进行TMD的详细设计、安装和调试工作。

表2 安装TMD后的楼面响应

3.6 转换梁设计

南侧2根钢柱通过地下室顶部的混凝土梁将荷载传递至混凝土框架柱和基础。因此该转换梁的设计关系到上部结构的安全。南侧2根钢柱在竖向荷载下的基底反力分别为1 850 kN/2 650 kN,非线性静力推覆分析得到的大震基底最大压力分别为4 584 kN/5 276 kN。

根据专家咨询意见,转换梁承载力应按照大震不屈服进行加固设计。该梁原始截面为800 mm×700 mm,采用增大截面法加固,梁顶、梁底、侧面的增大尺寸分别为420、400、400 mm,加固后转换梁截面尺寸为1 600 mm×1 520 mm。

4 非线性静力推覆分析

4.1 概述

本项目采用特殊桁架抗弯钢框架,属于国外规范规定的结构体系,且结构设计采用了BRB及特殊桁架跨中的软钢斜腹杆作为耗能构件,因此应进行弹塑性变形验算。考虑到本项目属于结构体型相对规则且层数较少的框架结构,采用静力推覆方法来考察结构在大震下的抗震性能是合适的。

4.2 结构抗震设计性能目标

满足中国抗震规范的三水准的设防目标,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

具体来说,在多遇地震下,结构无损坏。在罕遇地震下,结构最大层间位移角不超过1/50。关键结构构件,如STMF特殊区段交叉斜杆的轴向变形，竖杆的塑性转角变形满足防倒塌(CP)性能目标限值；BRB支撑轴向变形满足生命安全(LS)性能目标限值。其余钢框架梁、柱塑性铰满足生命安全(LS)性能目标限值(注：CP、LS性能目标分别相当于《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》附录M所描述的性能4、性能2)。

4.3 静力推覆分析结果

采用SAP2000软件对本项目分别在东西、南北两个方向进行非线性静力推覆分析,采用1∶0.85对两个主轴方向的推覆分析进行组合。

从分析结果来看,各方向多遇地震的性能点均在弹性区段,表明结构在小震下无破坏。在罕遇地震下,东西方向上的静力推覆到达性能点时,BRB支撑出现塑性铰,其轴向塑性变形小于生命安全(LS)性能目标限值。南北方向上的静力推覆到达性能点时,部分STMF交叉斜杆轴向出现塑性铰,大部分的塑性变形小于生命安全(LS)性能目标限值,个别杆件的塑性变形小于防倒塌(CP)性能目标限值,见图6。

结构在罕遇地震下到达性能点时,东西、南北两个方向的剪重比分别为23.8%、47.1%,两个方向的最大层间位移角分别为1/120、1/103,满足1/50的防倒塌要求。

图6 罕遇地震下塑性铰情况(箭头为推覆方向)

5 结 语

本项目为多层钢框架结构,配合建筑使用功能要求采用单跨框架。为保证结构的安全以及在大震下足够的延性,采用美国ANSI/AISC 341—16中规定的特殊桁架抗弯框架体系。在专家指导下,经过线弹性分析和非线性静力推覆分析表明,结构既满足现行抗震规范的各项要求,在大震下又具有良好的耗能和抗震性能。目前主体结构已经施工完毕,各项检测和监测数据符合现行规范和设计要求。

本文的案例也为地震区的钢结构建筑采用单跨框架抗侧体系提供了一种解决方案。