钢结构模块-核心筒建筑结构体系计算分析

文/中国建筑设计研究院有限公司 杨春林 刘长松 武晓敏

1 工程概况

江苏省盐城市大丰区某小区住宅楼项目，地上采用钢结构模块-核心筒结构体系，地下采用剪力墙结构体系，地上8层、地下1层，建筑面积约0.47万m2。结构设计使用年限50年，建筑抗震设防类别为丙类，本地区抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.15g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，特征周期0.65s，地基基础设计等级为乙级。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果

模块-核心筒结构体系是一种装配率很高的建筑体系，主要由核心筒与多个集成建筑模块组成。核心筒为现浇结构，率先在现场施工完成，模块在工厂预制完成后运抵现场进行拼接。模块与核心筒、模块与模块之间通过连接件进行可靠连接，可保证整个体系的受力性能。

2 核心筒结构选择

模块-核心筒结构体系的核心筒作为抗侧力结构，承担建筑地震及风荷载作用下的全部水平荷载，并承担自重；钢结构模块采用钢密柱体系，主要承担竖向荷载。标准层结构平面布置如图2所示。

图2 结构平面布置

由于本项目所在地区设防烈度较高且场地类别为Ⅲ类，若核心筒仍采用常规的混凝土剪力墙、型钢混凝土剪力墙或钢框架支撑结构，只能通过增加剪力墙厚度或钢构件截面尺寸，以满足结构承载力要求，但过大的构件尺寸加大施工难度、压缩建筑空间、增加整体成本，也导致结构自重增加，地震作用加大。通过比选，本项目采用钢板剪力墙组成核心筒。

钢板剪力墙结构主要包括非加劲钢板剪力墙、加劲钢板剪力墙、防屈曲钢板剪力墙、钢板组合剪力墙、开缝钢板剪力墙等。由于双钢板-混凝土组合剪力墙具有延性好、构造简单、施工方便、避免接缝外露等优点，故本项目选用双钢板-混凝土组合剪力墙作为结构体系的核心筒。

3 结构布置

抗侧力筒体采用双钢板-混凝土组合剪力墙结构，核心筒结构平面布置如图3所示。通过钢板剪力墙与框架组成抗侧力体系，在外圈布置钢板剪力墙，形成“筒体效应”，整体结构计算模型如图4所示。

图3 钢板墙核心筒平面布置

图4 整体结构计算模型

核心筒钢板剪力墙厚度为250mm，两侧钢板各厚10mm，钢材材质为Q355C，剪力墙内填强度等级为C40的自密实混凝土。

外包钢板和内填混凝土一般采用栓钉、T形加劲肋、缀板或对拉螺栓连接，也可采用混合连接方式。本项目钢板与混凝土采用栓钉连接，栓钉间距250mm；两侧钢板通过冷弯角钢拉结，角钢采用∟230×60×8，间距750mm。与钢板相连的角钢短肢预留长80mm、间距200mm的槽焊孔，便于现场焊接。角钢长肢设置200mm×80mm、间距400mm的矩形孔，便于混凝土浇筑。钢板剪力墙构造如图5所示，钢板剪力墙与框架柱的连接构造如图6所示。在两块钢板之间设置冷弯角钢可防止墙身钢板局部屈曲、约束内部混凝土、提高混凝土变形能力，使钢板剪力墙结构具有更好的抗震性能。

图5 双钢板-混凝土组合剪力墙构造

图6 钢板剪力墙与框架柱的连接构造

4 计算基本假定

1）按分块弹性楼板和分块刚性楼板分别进行计算，其中层间位移控制楼板分块刚性计算结果，其余参数控制弹性楼板计算结果。

2）计算核心筒时模块钢柱按两端铰接模型考虑，计算模块钢柱时按柱两端铰接和上端铰接下端固结2种模型工况进行包络值控制。

3）楼板采用壳单元模拟，壳单元自动剖分最大单元尺寸为1m。

4）核心筒与模块之间的连接构件按三角形铰支座简化输入，释放一端竖向位移，只传递水平剪力和拉压力。

5）模块与模块的角部连接钢板按两端固结杆件，模块间塞板按壳单元等效。

6）模块与模块间的楼板连接钢板按两端固结板件输入。

5 结构弹性计算分析结果

本项目采用结构空间有限元分析与设计软件ETABS（18.1.0版）和YJK（2.0.0版）进行分析计算，并采用YJK软件进行弹性时程分析。

5.1 结构动力特性

YJK与ETABS计算结果如表1所示。

表1 结构动力特性

以扭转为主的第一振型周期与以平动为主的第一振型周期之比分别为0.69（YJK）和0.66（ETABS），均小于规范0.90的限值，满足规范要求。

5.2 位移与内力

地震作用下x，y向层间位移角如图7所示，从层间位移角大小来看，x向层间位移角在1/775以内，y向层间位移角在1/1607以内，满足层间位移角Δu/h≤1/300的限值要求。在考虑偶然偏心地震作用下，x向最大位移比为1.08，y向最大位移比为1.06，均小于规范1.50的限值要求。

图7 地震作用下层间位移角

楼层x向和y向的地震剪力如图8所示，由此可看出，YJK与ETABS计算结果接近。

图8 楼层地震剪力

5.3 结构弹性时程分析

本项目采用YJK软件进行多遇地震作用下弹性时程分析时，地震波采用2条天然波和1条人工波，地震记录的频谱特性与场地特性一致，地震地面主分量峰值加速度采用35cm/s2，主、次向峰值加速度比值为1∶0.85，采用的地震波时程曲线及地震波的频谱特性如图9～14所示。

图9 天然波TR1加速度时程曲线

图10 天然波TR2加速度时程曲线

图11 人工波RG1加速度时程曲线

图12 地震波反应谱曲线

图13 规范反应谱法与弹性时程分析位移比较

图14 规范反应谱法与弹性时程分析的位移角比较

由图可知，弹性时程分析法与CQC反应谱法得到的位移及位移角分布曲线的变化规律基本一致。弹性时程分析得到的最大层间位移角：x向为1/868（6层天然波1），y向为1/1657（6层天然波1），与CQC法结果吻合较好。

规范反应谱法与弹性时程分析的地震剪力比较如图15所示，由计算结果可以看出：3条地震波中，每条基底剪力均大于反应谱法的65%，3条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）第5.1.2条的规定，弹性时程分析的各楼层剪力平均值和反应谱结果比较接近。结构地震作用效应取3条时程曲线计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

图15 规范反应谱法与弹性时程分析的地震剪力比较

6 结语

1）核心筒采用双钢板-混凝土组合剪力墙结构，采取合理构造措施使结构具有良好的抗震性能，可满足结构承载能力和变形要求。

2）采用YJK和ETABS软件进行结构建模计算分析，二者结果相近，且均能满足规范要求。

3）以扭转为主的第一振型周期与以平动为主的第一振型周期之比分别为0.69（YJK）和0.66（ETABS），满足规范限值要求，说明结构具有较大的抗扭刚度和良好的抗扭能力。