上海某装配整体式高层建筑方案比选

刘文燕 耿耀明

(1.上海大学土木工程系,上海 200444; 2.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引 言

装配式建筑是建筑行业生产方式的一次变革,对建筑业节能减排和转型升级具有重要意义。2016年2月6日中共中央国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》,提出“发展新型建造方式,大力推广装配式建筑,减少建筑垃圾和扬尘污染,缩短建造工期,提升工程质量。力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。”装配式建筑的发展迎来了历史良机。

上海临港重装备产业区H36-02地块项目西1楼采用装配整体式混凝土结构[1],预制率不低于45%。在满足高预制率的前提下,本文对其结构体系的选择进行了多方案的比选,得出不同结构体系的受力特点及经济效益上的优缺点,最终采用了设置粘滞阻尼器的装配整体式钢筋混凝土框架结构,可为类似工程的结构方案选择提供参考。

1 结构设计参数

该工程总建筑面积19 657.3 m2,地下1层,地上11层(含1层小屋面),标准层高4.2 m,建筑总高度44.4 m。标准层平面详见图1。结构设计基准期为50年,结构安全等级为二级,抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为上海Ⅳ类,场地特征周期为0.90 s。基本风压为0.55 kN/m2,地面粗糙度B类。

图1 建筑标准层平面图(单位:mm)Fig.1 Typical floor plan (Unit:mm)

2 方案比选

在方案设计阶段共提出四个方案,分别为钢筋混凝土框架-剪力墙结构、钢筋混凝土框架+防屈曲约束支撑结构、钢筋混凝土框架+防屈曲钢板墙结构和钢筋混凝土框架+非线性黏滞流体阻尼器结构。

2.1 方案1:钢筋混凝土框架-剪力墙结构

框架-剪力墙结构是在框架结构中布置一定数量的剪力墙,形成灵活自由的使用空间,满足不同建筑使用功能的要求,同时又有足够的剪力墙,使得结构具有足够的抗侧刚度抵抗水平荷载作用下产生的变形。

框架-剪力墙结构是高层建筑中传统结构形式,技术成熟可靠,但其在本工程中的应用具有如下缺点:①由于本工程为装配整体式混凝土结构,根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014),框架-剪力墙结构中剪力墙部分需要采用现浇[2],这使得结构现浇部分增加,不利于预制率的提高,且增加现场湿作业;②外圈框架梁、柱截面增加不利于建筑效果和使用,同时增加建筑材料用量,不利于运输和施工的吊装作业;③由于受建筑使用功能的限制,只能在楼、电梯间及设备用房周围布置剪力墙,这使得结构质心与刚心偏离更大,加重了结构发生扭转的趋势。

2.2 方案2:钢筋混凝土框架+防屈曲约束支撑结构

混凝土框架+防屈曲约束支撑结构是通过在框架中适当位置布置防屈曲约束支撑,形成框架-支撑结构。

防屈曲约束支撑[3](BRB)由芯材、无粘结材料和外部约束材料组成,其中芯材是构件中主要的受力构件,由特定强度的钢板制成,常用的截面形式有一字型、十字形和T形等;无粘结材料是在芯材与外部约束材料之间提供可滑动的界面,防止芯材受压膨胀后与约束材料之间产生摩擦力而造成轴压力的大量增加;外部约束材料负责提供约束机制,使芯材在轴压力作用下能受压屈服,而不发生屈曲失稳,从而通过塑性变形消耗地震输入的能量。多遇地震作用下,防屈曲约束支撑在弹性阶段工作,只提供刚度,不屈服耗能;而在设防或罕遇地震作用下,可起到“保险丝”的作用,首先屈服耗能,从而保护主体结构,防屈曲约束支撑构成如图2所示。

采用钢筋混凝土框架+防屈曲约束支撑结构具有如下优点:①可以取消剪力墙,减少现浇部分,减少现场湿作业,有利于预制率的提高;②可以减小外围框架梁、柱的截面尺寸,有利于建筑效果和使用,有利于运输和施工的吊装作业,同时还可以减少建筑材料用量;③在设防或罕遇地震作用下,防屈曲约束支撑可以屈服耗能,从而有效地保护主体结构。但是其也存在如下不足:①防屈曲约束支撑与框架结构连接构造复杂,与支撑相连的框架梁、柱需要加强并进行性能设计;②多遇地震作用下,支撑仅提供刚度,不耗能;③支撑部分占结构总倾覆力矩偏低,不能满足《上海市建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—2013)中“底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩应大于50%”的要求[4]。

图2 防屈曲约束支撑的构成Fig.2 Buckling-restrained brace

2.3 方案3:钢筋混凝土框架+防屈曲钢板墙结构

钢筋混凝土框架结构+防屈曲钢板墙是在框架中适当位置布置防屈曲钢板墙,既能提供抗侧刚度,又能通过发生塑性变形耗能来提供附加阻尼比。

防屈曲钢板墙(BRW)的基本原理和构造与防屈曲约束支撑相似[5],由承受水平荷载的芯板、无粘结材料以及防止芯板发生面外屈曲的面外约束部件组成,其基本组成如图3所示。面外约束部件对钢芯板提供侧向约束,使钢芯板的屈曲临界荷载大于其抗剪屈服承载力,则钢板墙不会发生屈曲失稳,只发生剪切屈服,以实现通过塑性变形消耗地震输入的能量。

图3 防屈曲钢板墙的基本组成Fig.3 Buckling-restrained steel plate wall

在框架结构中布置防屈曲钢板墙与采用防屈曲约束支撑具有相同的优点,但又有其特色。与防屈曲约束支撑相比,防屈曲钢板墙对结构附加的刚度小,耗能能力更强,而且防屈曲钢板墙还可以通过控制芯板钢材的屈服强度来实现不同的使用功能。芯板采用低屈服点软钢时,防屈曲钢板墙在多遇地震作用下就能屈服耗能,为结构提供附加阻尼比;芯板采用普通钢材设计时,防屈曲钢板墙则和防屈曲约束支撑一样,在多遇地震作用下保持为弹性充当抗侧力构件,而在设防地震或罕遇地震作用下屈服耗能,作为第一道防线保护主体结构。同时,采用防屈曲钢板墙也不会受规范对地震倾覆力矩的限制,更能适应不同的结构。

2.4 方案4:钢筋混凝土框架+黏滞流体阻尼器结构

黏滞流体阻尼器(VFD)是一种以黏滞流体材料为阻尼介质的速度型耗能减震装置,其一般由缸筒、活塞、阻尼通道、阻尼介质(黏滞流体)和导杆等部分组成,活塞上可以开适量的小孔作为阻尼孔,或是在活塞和油缸内壁之间留有一定的间隙。当活塞与缸筒发生相对运动时,活塞前后之间的压力差使黏滞流体材料穿过阻尼孔或间隙,从而产生阻尼,其能量的耗散是由黏滞流体与缸壁之间的黏性摩擦以及穿过阻尼孔或间隙时黏滞流体内部的内摩擦来实现的[6-7]。对于黏滞阻尼器,其阻尼力的计算公式如下[8]:

F=C|v|αsgn(v)

式中:F为黏滞阻尼器的阻尼力;C为黏滞阻尼器的阻尼系数;α为黏滞阻尼器的阻尼指数;v为黏滞阻尼器的速度。

非线性黏滞阻尼器的典型滞回曲线如图4所示。

图4 黏滞阻尼器典型滞回曲线Fig.4 Hysteresis curve of viscous fluid damper

在结构中布置适量的黏滞阻尼器与采用其他消能减震装置相同,可以减小构件的截面尺寸,而且采用黏滞阻尼器一般不会给结构增加额外的刚度,且在多遇地震作用下就能显著耗能,减小结构的地震剪力和位移角。但是,黏滞阻尼器在罕遇地震作用下的耗能作用会降低,而且根据《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013)要求“黏滞消能器在正常使用情况下一般10年或二次装修时应进行目测检测,在达到设计使用年限时应进行抽样检验。”黏滞阻尼器设计使用年限一般为30年,故使用30年后需进行检修。

2.5 方案对比情况汇总

各方案计算结果汇总对比如表1所示。

表1方案对比情况

Table 1 Comparison and Simulation of Schemes

注：方案1为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,方案2为钢筋混凝土框架+防屈曲约束支撑结构,方案3为钢筋混凝土框架+防屈曲钢板墙结构,方案4为钢筋混凝土框架+黏滞阻尼器结构;现浇混凝土工程综合单价(包括混凝土材料费、钢筋材料费和施工费用)为2200元/m3,预制混凝土工程综合单价(包括混凝土材料费、钢筋材料费和施工费用)为5 000元/m3

3 结 论

(1) 计算结果表明,当采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构时,结构各项计算指标能满足要求,但其综合造价要高于其他方案,不经济。

(2) 当采用钢筋混凝土框架+防屈曲约束支撑结构时,由于结构沿X向有一侧为斜向,使沿X向的支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩仅占总地震倾覆力矩的17.3%,远远低于规范要求不小于50%的规定,故该方案不可行。若突破规范对倾覆弯矩的限制条件,其综合造价较低,经济性较好。

(3) 当采用钢筋混凝土+防屈曲钢板墙结构时,结构各项计算指标均能满足要求,但由于防屈曲钢板墙对结构附加的刚度要小于防屈曲约束支撑,其在小震下的耗能能力要弱于黏滞阻尼器,因此综合造价比钢筋混凝土框架+防屈曲约束支撑结构和钢筋混凝土框架+黏滞阻尼器结构高,经济性略差。

(4) 综合考虑结构的技术经济指标和规范规定,本工程采用方案4,即钢筋混凝土框架+黏滞阻尼器结构。不仅可以提高结构的抗震性能,还能在满足相关规范的前提下最大程度地降低工程造价。