论文部分内容阅读
摘 要：随着建筑外形复杂化，功能多样化，为了外立面的造型效果，大跨度悬挑结构越来越常见。考虑到此类结构在悬挑部位通常抗震不利，容易破坏，通过对比受力性能好的型钢混凝土柱与传统大截面的钢筋混凝土柱，选择抗震性能良好、截面相对较小的型钢柱。对受力复杂的压弯剪扭型型钢混凝土柱进行了受力分析，使用有限元软件对结构进行了弹性时程分析及动力弹塑性损伤分析，罕遇地震下能量耗散规律分析，结果表明结构能够满足三水准的抗震要求，对其安全性、合理性进行了验证。本文通过实际工程案例，对受力复杂的压弯剪扭型钢柱，大跨度悬挑，单榀结构，楼板开大洞等重难点问题，提出相对安全可靠的加强措施，增加结构的安全储备。
关键词：型钢混凝土柱;工程运用;弹塑性分析;压弯剪扭
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0106-05
Abstract：With the complex appearance of buildings and diversified functions， large-span cantilever structures are becoming more and more common for the modeling effect of the facade. Considering that this type of structure is usually unfavorable for earthquake resistance and easy to damage at the overhanging part， by comparing the steel concrete column with good mechanical performance and the traditional large-section reinforced concrete column， the steel column with good seismic performance and relatively small section is selected. The force analysis of the compression bending shear torsion steel concrete column with complex forces is carried out， the elastic time-history analysis and dynamic elastoplastic damage analysis of the structure are carried out using finite element software， and the law of energy dissipation under rare earthquakes is analyzed. The results show that The structure can meet the three-level seismic requirements， and its safety and rationality have been verified. Based on actual engineering cases， this paper proposes relatively safe and reliable strengthening measures to increase the safety reserve of the structure for difficult problems such as the complicated compression bending shear torsion steel column， the large span cantilever， the single structure， and the large hole in the floor.
Key words：steel reinforced concrete column; engineering application; elastoplastic analysis; bending， shear and torsion
现代生活中，人们对于建筑物造型要求越来越高，形式越来越复杂，造型需要更加的“夺人眼球”，大跨度悬挑结构越来越多，本工程为超长多层单榀结构形式，建筑两端为单柱布置，单柱外悬挑6.7m，6段标准层建筑图，4段、5段、6段建筑效果图，6段结构模型图分别如图1～3所示。
本工程的设计使用年限为50年，采用钢筋混凝土结构，结构的安全等级为二级，安全重要性系数采用1.0，抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度值为0.20g，地震分组为第二组，场地设计特征周期为0.55s，标准设防类，工程场地类别为Ⅲ类，场地未发现不良地质作用，属于建筑抗震一般地段，基础形式为柱下条形基础，场地为Ⅰ级非自重湿陷性黄土场，按《湿陷性黄土地区建筑标准》 [1]规范6.1.5规定，在非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）的多层丙类建筑，地基处理厚度不应小于1m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100kPa，经计算复核，地基处理方案为1.5m厚的3∶7灰土进行湿陷性处理，承载力不小于200kPa，垫层的压实系数不小于0.97。
1 建筑造型特点及结构设计难点
本工程为多层单榀的结构形式，结构单体平面布置为矩形布置，平面尺寸为12.4m×328.2m，横向为跨度8.1m的单跨结构，单跨两端各悬挑2.1m、1.8m的走道，考虑到本项目长度超长，用抗震缝将单体分为6段，按照《建筑抗震设计规范》 [2]6.1.4条计算，各段之间的抗震缝宽度取150mm，本文从左到右依次按1段～6段简称，各段的层数分别为4层，4層，2层，5层，6层，6层;第6段的标准层结构布置如图4所示、剖面如图5所示;为重点研究型钢混凝土柱，下文以第6段单体为研究对象。 依据《建筑抗震设计规范》 [2]第6.1.5条，高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构，第6段结构为高度23.85m的单跨结构，采用框架-剪力墙的结构形式，充分满足建筑的使用功能与外立面外凸的造型要求，且能形成具有两道防线的抗震体系;结构计算中，依据《建筑抗震设计规范》 [2]表6.1.2条及6.1.3条规定，且在规定的水平力作用下，底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于10%，小于50%，故将框架抗震等级采用3级，抗震墙的抗震等级采用2级。从配筋率及节约造价两个因素考虑，混凝土标号采用：1～2层墙柱混凝土标号为C45，梁板混凝土标号为C35;3～4层墙柱混凝土标号为C40，梁板混凝土标号为C35;5～6层墙柱混凝土标号为C35，梁、板混凝土标号为C30，型钢钢号均为Q235，型钢混凝土柱中型钢截面采用1200×700×26×26，型钢混凝土梁中型钢截面采用600×300×20×20。
根据《建筑抗震设计规范》 [2]第5.1.1条，8°时的大跨度结构应计算竖向地震，在设计中将6段悬挑部分的型钢混凝土梁、柱进行竖向地震的计算，并对其抗震构造措施的抗震等级按照提高一度进行加强。
建筑在45～46轴处有大开洞，功能为观景台，导致局部楼板不连续，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》 [3]第3.4.6条，楼板有效宽度不宜小于该层楼面宽度的50%，开洞总面积不宜超过楼面面积的30%，故此处要求建筑开洞进深不大于6.0m，且参考《高层建筑混凝土结构技术规程》 [3]3.4.8条，洞口周边楼板板厚为150mm，双层双向配筋，最小配筋率按照0.3%进行控制。
2 不同形式的框架柱计算模型结果对比分析
本项目为满足造型要求，在47～48轴处采用悬挑结构，考虑到悬挑部分的型钢混凝土柱受力复杂，为压弯剪扭复合型，故对46轴、47轴的柱也采用型钢混凝土柱;悬挑部分米字型梁采用型钢混凝土梁，为方便施工及外立面造型要求，悬挑走道采用钢筋混凝土梁，高度为300mm×700mm，封边梁为250mm×700mm;采用相同截面的型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱计算结果对比如表1所示。
从表1可以看出，采用不同材料形式的柱对结构的位移角等整体性参数影响不大，但型钢混凝土的轴压比及配筋率远远优于钢筋混凝土柱，性能表现更佳，结构安全性以及构件尺寸使用性更好，且钢筋混凝土柱轴压比超过规范限值。从受力角度分析，型钢柱的受力为典型的压弯剪扭型复合受力，柱底轴力及剪力相差不大的情况下，受弯能力是普通柱的3倍。由上述分析可以得出，采用型钢混凝土柱更加适用于本段单体的悬挑结构，结构也更安全，形式更合理。
3 两个结构分析软件计算结果对比分析
依据《高层建筑混凝土结构技术规程》 [3]第5.1.12条，体型复杂、结构布置复杂的建筑结构应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。本段结构采用两个结构分析软件YJK与Midas Building对型钢混凝土梁、柱模型进行了多遇地震下的补充验算，周期、周期比、位移角等计算指标结果如表2所示。
从表2计算结果对比分析可知，型钢混凝土柱模型在两种不同计算软件下的结构动力特性基本一致，两个结构计算软件得到的位移比、周期比、周期、位移角指标相差不大，均满足《建筑抗震设计规范》 [2]的限值要求，两种软件所得到的计算结果表明6段悬挑结构部分采用型钢混凝土梁、柱后的模型结果安全可靠。
4 弹性时程计算分析与动力弹塑性时程分析
依据《建筑抗震设计规范》 [2]第5.1.2条第三款，特别不规则的建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算;本工程第6段结构有大开洞不利布置，大悬挑结构部分，故采用YJK软件对第6段结构进行了多遇地震下的弹性时程分析，选取2条天然波（Imperial Valley-06 _NO _172，Coyote Lake _ NO_ 151），1条人工波（ArtWave-RH3TG040）。其中单条时程曲线以及多条时程曲线计算所得的结构底部剪力均满足规范规定的不小于振型分解反应谱法65%与80%的规定要求。3组地震波下的底层剪力与弹塑性层间位移角如表3、表4所示。
从表3中可以得出，多波包络值全楼放大系数取1.130。在后期的计算中，将全楼统一地震作用放大系数取1.130来进行后期的构件配筋，施工图绘制;从表4可以得出，在3组地震波作用下，结构的弹塑性层间位移角满足规范要求，即表明结构能够实现“大震不倒”的目标要求。
5 罕遇地震下能量耗散规律分析
罕遇地震下地震波产生的能量持续不断的输入建筑结构，一部分作为动能和弹性应变能（可以恢复）储存在结构构件中，其余的大部分能量是由结构的阻尼和构件本身的塑性变形消耗。当阻尼耗能和塑性变形耗能之和与总的地震输入能量相平衡，结构就不会因为地震作用而发生倒塌[4]。本工程结构在罕遇地震状况下动能、势能和阻尼耗能与地震动总输入能量的比值如图6所示。
从图6可得出以下结论：结构在罕遇地震作用下逐渐进入弹塑性状态，吸收的地震能量逐渐增多，而与此同时在能量耗散的过程中结构的动能和势能，并且随着时间的推移能量所占的比例逐渐减小。这说明结构要保持安全稳定，主要依靠阻尼耗能，从图6也可以看出，阻尼耗能的比例随时间逐渐增大。通过以上的能量分析可知，罕遇地震作用下弹塑性状态的本工程结构，能够通过阻尼耗能消耗大部分地震能量，也进一步说明本工程在材料选择、结构布置、配筋设计等方面准确合理，能够在地震状况下拥有较好的延性和承载能力。
6 动力弹塑性下的损伤分析
本工程第6段结构复杂，需要设计人员注意的难点较多，故利用有限元软件对齐进行动力弹塑性的损伤分析;选择拉伸模型下的受拉损伤云图，如图7所示。从图中可知，结构中容易受到损坏的部位是Y向的剪力墙之间的梁，损伤因子接近0.9，在设计中应引起足够的重视，对相应的易损伤部位采取加强措施，保证结构的安全性。
7 结论
本文对第6段多层单榀的结构的难点进行了分析，通过不同材料形式框架柱计算结果对比，以及不同结构软件对第6段结构的反应谱法计算分析，弹性时程计算分析，罕遇地震下能量耗散规律分析，得出以下4条结论，希望为今后类似的项目提供可以借鉴的经验与深入研究的可能性。
（1） 通过两个不同的结构计算软件（Midas，YJK）进行了整体分析计算，二者计算所得的位移比、周期等参数指标接近，表明悬挑结构部分使用型钢混凝土柱的安全、可靠性;通過对比型钢混凝土柱钢筋混凝土柱的柱底弯矩、轴力、剪力，表明了压弯剪扭型钢混凝土柱的延性更佳，在保证安全的前提下更能满足建筑造型要求。
（2） 对于第6段结构，右端悬挑长度6.7m，且局部楼板开大洞，设计中进行了弹性时程分析，计算出多条地震波包络下全楼的地震作用放大系数，保证结构的安全，给相似结构提供宝贵的设计经验。
（3） 对单榀结构采取设置剪力墙来增加结构抗震防线，对楼板开大洞的周边楼板采取加强措施，对大悬挑结构部分提高抗震等级并进行相应的竖向地震计算等多条措施有效的提高保证结构的安全性。
（4） 通过有限元软件的动力弹塑性分析，以及罕遇地震下能量耗散规律分析，结果表明本设计满足抗震设计要求，验证了结构在大震下拥有良好的延性性能，找到了结构设计中容易忽视的薄弱点，为今后相似的建筑设计提供了新的设计方法。
参考文献
[1]GB 50025-2018， 湿陷性黄土地区建筑标准[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2018.
[2]GB 50011-2010（2016版）， 建筑抗震设计规范[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2016.
[3]JGJ 3-2010， 高层建筑混凝土结构技术 规程[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2011.
[4]徐广洋. 多高层钢筋混凝土建筑结构地震能量分析[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2014.
关键词：型钢混凝土柱;工程运用;弹塑性分析;压弯剪扭
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0106-05
Abstract：With the complex appearance of buildings and diversified functions， large-span cantilever structures are becoming more and more common for the modeling effect of the facade. Considering that this type of structure is usually unfavorable for earthquake resistance and easy to damage at the overhanging part， by comparing the steel concrete column with good mechanical performance and the traditional large-section reinforced concrete column， the steel column with good seismic performance and relatively small section is selected. The force analysis of the compression bending shear torsion steel concrete column with complex forces is carried out， the elastic time-history analysis and dynamic elastoplastic damage analysis of the structure are carried out using finite element software， and the law of energy dissipation under rare earthquakes is analyzed. The results show that The structure can meet the three-level seismic requirements， and its safety and rationality have been verified. Based on actual engineering cases， this paper proposes relatively safe and reliable strengthening measures to increase the safety reserve of the structure for difficult problems such as the complicated compression bending shear torsion steel column， the large span cantilever， the single structure， and the large hole in the floor.
Key words：steel reinforced concrete column; engineering application; elastoplastic analysis; bending， shear and torsion
现代生活中，人们对于建筑物造型要求越来越高，形式越来越复杂，造型需要更加的“夺人眼球”，大跨度悬挑结构越来越多，本工程为超长多层单榀结构形式，建筑两端为单柱布置，单柱外悬挑6.7m，6段标准层建筑图，4段、5段、6段建筑效果图，6段结构模型图分别如图1～3所示。
本工程的设计使用年限为50年，采用钢筋混凝土结构，结构的安全等级为二级，安全重要性系数采用1.0，抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度值为0.20g，地震分组为第二组，场地设计特征周期为0.55s，标准设防类，工程场地类别为Ⅲ类，场地未发现不良地质作用，属于建筑抗震一般地段，基础形式为柱下条形基础，场地为Ⅰ级非自重湿陷性黄土场，按《湿陷性黄土地区建筑标准》 [1]规范6.1.5规定，在非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）的多层丙类建筑，地基处理厚度不应小于1m，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不宜小于100kPa，经计算复核，地基处理方案为1.5m厚的3∶7灰土进行湿陷性处理，承载力不小于200kPa，垫层的压实系数不小于0.97。
1 建筑造型特点及结构设计难点
本工程为多层单榀的结构形式，结构单体平面布置为矩形布置，平面尺寸为12.4m×328.2m，横向为跨度8.1m的单跨结构，单跨两端各悬挑2.1m、1.8m的走道，考虑到本项目长度超长，用抗震缝将单体分为6段，按照《建筑抗震设计规范》 [2]6.1.4条计算，各段之间的抗震缝宽度取150mm，本文从左到右依次按1段～6段简称，各段的层数分别为4层，4層，2层，5层，6层，6层;第6段的标准层结构布置如图4所示、剖面如图5所示;为重点研究型钢混凝土柱，下文以第6段单体为研究对象。 依据《建筑抗震设计规范》 [2]第6.1.5条，高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构，第6段结构为高度23.85m的单跨结构，采用框架-剪力墙的结构形式，充分满足建筑的使用功能与外立面外凸的造型要求，且能形成具有两道防线的抗震体系;结构计算中，依据《建筑抗震设计规范》 [2]表6.1.2条及6.1.3条规定，且在规定的水平力作用下，底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于10%，小于50%，故将框架抗震等级采用3级，抗震墙的抗震等级采用2级。从配筋率及节约造价两个因素考虑，混凝土标号采用：1～2层墙柱混凝土标号为C45，梁板混凝土标号为C35;3～4层墙柱混凝土标号为C40，梁板混凝土标号为C35;5～6层墙柱混凝土标号为C35，梁、板混凝土标号为C30，型钢钢号均为Q235，型钢混凝土柱中型钢截面采用1200×700×26×26，型钢混凝土梁中型钢截面采用600×300×20×20。
根据《建筑抗震设计规范》 [2]第5.1.1条，8°时的大跨度结构应计算竖向地震，在设计中将6段悬挑部分的型钢混凝土梁、柱进行竖向地震的计算，并对其抗震构造措施的抗震等级按照提高一度进行加强。
建筑在45～46轴处有大开洞，功能为观景台，导致局部楼板不连续，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》 [3]第3.4.6条，楼板有效宽度不宜小于该层楼面宽度的50%，开洞总面积不宜超过楼面面积的30%，故此处要求建筑开洞进深不大于6.0m，且参考《高层建筑混凝土结构技术规程》 [3]3.4.8条，洞口周边楼板板厚为150mm，双层双向配筋，最小配筋率按照0.3%进行控制。
2 不同形式的框架柱计算模型结果对比分析
本项目为满足造型要求，在47～48轴处采用悬挑结构，考虑到悬挑部分的型钢混凝土柱受力复杂，为压弯剪扭复合型，故对46轴、47轴的柱也采用型钢混凝土柱;悬挑部分米字型梁采用型钢混凝土梁，为方便施工及外立面造型要求，悬挑走道采用钢筋混凝土梁，高度为300mm×700mm，封边梁为250mm×700mm;采用相同截面的型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱计算结果对比如表1所示。
从表1可以看出，采用不同材料形式的柱对结构的位移角等整体性参数影响不大，但型钢混凝土的轴压比及配筋率远远优于钢筋混凝土柱，性能表现更佳，结构安全性以及构件尺寸使用性更好，且钢筋混凝土柱轴压比超过规范限值。从受力角度分析，型钢柱的受力为典型的压弯剪扭型复合受力，柱底轴力及剪力相差不大的情况下，受弯能力是普通柱的3倍。由上述分析可以得出，采用型钢混凝土柱更加适用于本段单体的悬挑结构，结构也更安全，形式更合理。
3 两个结构分析软件计算结果对比分析
依据《高层建筑混凝土结构技术规程》 [3]第5.1.12条，体型复杂、结构布置复杂的建筑结构应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。本段结构采用两个结构分析软件YJK与Midas Building对型钢混凝土梁、柱模型进行了多遇地震下的补充验算，周期、周期比、位移角等计算指标结果如表2所示。
从表2计算结果对比分析可知，型钢混凝土柱模型在两种不同计算软件下的结构动力特性基本一致，两个结构计算软件得到的位移比、周期比、周期、位移角指标相差不大，均满足《建筑抗震设计规范》 [2]的限值要求，两种软件所得到的计算结果表明6段悬挑结构部分采用型钢混凝土梁、柱后的模型结果安全可靠。
4 弹性时程计算分析与动力弹塑性时程分析
依据《建筑抗震设计规范》 [2]第5.1.2条第三款，特别不规则的建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算;本工程第6段结构有大开洞不利布置，大悬挑结构部分，故采用YJK软件对第6段结构进行了多遇地震下的弹性时程分析，选取2条天然波（Imperial Valley-06 _NO _172，Coyote Lake _ NO_ 151），1条人工波（ArtWave-RH3TG040）。其中单条时程曲线以及多条时程曲线计算所得的结构底部剪力均满足规范规定的不小于振型分解反应谱法65%与80%的规定要求。3组地震波下的底层剪力与弹塑性层间位移角如表3、表4所示。
从表3中可以得出，多波包络值全楼放大系数取1.130。在后期的计算中，将全楼统一地震作用放大系数取1.130来进行后期的构件配筋，施工图绘制;从表4可以得出，在3组地震波作用下，结构的弹塑性层间位移角满足规范要求，即表明结构能够实现“大震不倒”的目标要求。
5 罕遇地震下能量耗散规律分析
罕遇地震下地震波产生的能量持续不断的输入建筑结构，一部分作为动能和弹性应变能（可以恢复）储存在结构构件中，其余的大部分能量是由结构的阻尼和构件本身的塑性变形消耗。当阻尼耗能和塑性变形耗能之和与总的地震输入能量相平衡，结构就不会因为地震作用而发生倒塌[4]。本工程结构在罕遇地震状况下动能、势能和阻尼耗能与地震动总输入能量的比值如图6所示。
从图6可得出以下结论：结构在罕遇地震作用下逐渐进入弹塑性状态，吸收的地震能量逐渐增多，而与此同时在能量耗散的过程中结构的动能和势能，并且随着时间的推移能量所占的比例逐渐减小。这说明结构要保持安全稳定，主要依靠阻尼耗能，从图6也可以看出，阻尼耗能的比例随时间逐渐增大。通过以上的能量分析可知，罕遇地震作用下弹塑性状态的本工程结构，能够通过阻尼耗能消耗大部分地震能量，也进一步说明本工程在材料选择、结构布置、配筋设计等方面准确合理，能够在地震状况下拥有较好的延性和承载能力。
6 动力弹塑性下的损伤分析
本工程第6段结构复杂，需要设计人员注意的难点较多，故利用有限元软件对齐进行动力弹塑性的损伤分析;选择拉伸模型下的受拉损伤云图，如图7所示。从图中可知，结构中容易受到损坏的部位是Y向的剪力墙之间的梁，损伤因子接近0.9，在设计中应引起足够的重视，对相应的易损伤部位采取加强措施，保证结构的安全性。
7 结论
本文对第6段多层单榀的结构的难点进行了分析，通过不同材料形式框架柱计算结果对比，以及不同结构软件对第6段结构的反应谱法计算分析，弹性时程计算分析，罕遇地震下能量耗散规律分析，得出以下4条结论，希望为今后类似的项目提供可以借鉴的经验与深入研究的可能性。
（1） 通过两个不同的结构计算软件（Midas，YJK）进行了整体分析计算，二者计算所得的位移比、周期等参数指标接近，表明悬挑结构部分使用型钢混凝土柱的安全、可靠性;通過对比型钢混凝土柱钢筋混凝土柱的柱底弯矩、轴力、剪力，表明了压弯剪扭型钢混凝土柱的延性更佳，在保证安全的前提下更能满足建筑造型要求。
（2） 对于第6段结构，右端悬挑长度6.7m，且局部楼板开大洞，设计中进行了弹性时程分析，计算出多条地震波包络下全楼的地震作用放大系数，保证结构的安全，给相似结构提供宝贵的设计经验。
（3） 对单榀结构采取设置剪力墙来增加结构抗震防线，对楼板开大洞的周边楼板采取加强措施，对大悬挑结构部分提高抗震等级并进行相应的竖向地震计算等多条措施有效的提高保证结构的安全性。
（4） 通过有限元软件的动力弹塑性分析，以及罕遇地震下能量耗散规律分析，结果表明本设计满足抗震设计要求，验证了结构在大震下拥有良好的延性性能，找到了结构设计中容易忽视的薄弱点，为今后相似的建筑设计提供了新的设计方法。
参考文献
[1]GB 50025-2018， 湿陷性黄土地区建筑标准[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2018.
[2]GB 50011-2010（2016版）， 建筑抗震设计规范[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2016.
[3]JGJ 3-2010， 高层建筑混凝土结构技术 规程[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2011.
[4]徐广洋. 多高层钢筋混凝土建筑结构地震能量分析[D]. 沈阳：沈阳工业大学，2014.