威海香水海项目位于文登南海开发区,文辉路东、海韵路南。总建筑面积约27万m²。本期工程一期共A,B两种户型,均无地下室。结构共11层,首层层高为3.05m,标准层(2～10层)层高为3.0m,坡屋顶层层高约为3.95m,建筑总高度约34m,宽13.10m,长43.10m,高宽比约为2.6,建筑效果如图1所示。本文以B户型某栋楼为例进行介绍。

　　 本工程结构设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,结构重要性系数取1.0。建筑抗震设防类别为丙类,场地类别为Ⅱ类,抗震设防烈度为7度(0.1g),场地特征周期T_g为0.35s,设计地震分组为第一组。钢框架结构抗震等级为四级,钢材采用Q345B。结构设计基本风压为0.65kN/m²(50年一遇),地面粗糙度类别为A类。基础采用桩筏基础,筏板底部标高为-3.1m,嵌固端设置在基础顶。由于±0.000m以下回填土以及淤泥质粉质黏土层较厚,在±0.000m位置设置一层结构楼板。

　　 本工程钢柱采用钢异形柱,没有现成的钢异形柱规范作为依据。结构支撑的布置既不能影响建筑使用功能,又需要满足整体结构的计算要求。如何在设计中考虑钢异形柱制作过程中的焊接残余应力以及冷弯造成的刚度削弱,钢框架梁与钢异形柱的节点连接问题,如何对梁柱节点进行应力分析并针对应力分析的结果确定节点构造措施等均是本工程设计的难点。

　　 (1)该项目结构体系为钢异形柱支撑框架结构 ^[1,2]。框架柱采用钢异形柱及普通钢箱形柱。钢框架柱的截面形式有L形、十字形、T形、目字形、Z形以及箱形,如图2所示。结构中心支撑立面、平面布置示意如图3,4所示,其中X向设置4道支撑,Y向设置6道支撑。

　　 (2)由于建筑使用功能要求在房间的关键部位不露出框架柱,异形柱截面的宽度均限制为150mm,仅能对异形柱的肢长以及钢管壁厚进行调整。

　　 (3)钢异形柱由热轧方钢管侧边焊接冷弯U形钢板组成。由于冷弯U形钢板在转角区存在塑性区域,截面抗弯刚度有所削弱,且焊接后残余应力分布比较复杂 ^[3],在整体结构计算分析和构件截面设计时,考虑将异形柱最大应力比控制在0.8以下。

　　 (4)与支撑相连的钢框架柱采用C50自密实混凝土填芯,既能提高结构的整体刚度,还能有效控制钢框架柱的应力比。中心支撑采用矩形钢管,截面尺寸为150×(150～200)×(6～12)。钢梁的主要截面形式为HN298×149×5.5×8。

　　 (5)楼板采用钢筋桁架楼承板,楼板典型厚度为100mm(型号HB1-70 ^[4])和120mm(型号HB1-90 ^[4])。

　　 拟建场地地层从上而下依次为素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、中粗砂、残积土、全风化片麻岩、强风化片麻岩。勘察场地及其附近不存在晚更新世以来的活动断裂,无构造活动迹象,场地稳定性较好,但上部存在软弱土层(淤泥质粉质黏土),为对建筑抗震不利地段。因此本工程采用整体性能较好的桩筏基础,将桩端落在性质稳定性良好、承载力较高的强风化片麻岩上,基础设计等级为乙级。柱脚采用埋入式柱脚(用于与支撑相连的框架柱)和外包式柱脚(用于其他框架柱)。另外,与地上支撑相对应的地下位置处设置剪力墙,地下部分形成框架-剪力墙结构体系。

　　 计算分析时,多遇地震作用下结构的阻尼比取0.04,风荷载作用下结构的阻尼比取0.015。

　　 本工程结构整体分析采用ETABS(2015版),软件可以自定义异形柱截面,自动考虑柱截面偏心,工程中用此计算结果进行设计。此外,按照等刚度且等质量的原则,分别计算出柱两个方向的惯性矩之后,将钢异形柱代换成为矩形柱,然后采用SATWE(2010版)进行辅助对比计算。两种模型的主要计算结果见表1。梁柱节点采用ANSYS软件做应力分析,并对梁柱节点域进行人工复核。

　　 由表1可以看出:1)两种软件计算结果较为接近,说明计算模型较为合理,计算结果可靠;2)支撑布置较为合理,结构不存在软弱层、薄弱层、刚度分布不均匀、抗剪承载力突变等现象;3)X向抗侧刚度较大,侧向刚度有富余,Y向抗侧刚度相对小一些,两个方向均具有足够的刚度来抵抗多遇地震和风荷载作用。根据结构设计方案技术论证会专家提出的意见,宜使支撑承担相当比例的倾覆力矩,虽然X向抗侧刚度有富余,但仍然设置4道支撑,使第一道防线发挥更多的作用。

　　 采用ETABS(2015版)中Pushover模块对结构进行静力弹塑性分析,实际地震作用是在施工模拟的基础上施加的,施工模拟的最终状态为1.0恒载+0.5活载,并以此状态作为静力弹塑性分析的初始状态。分析结果表明,在考虑重力二阶效应及大变形时,X,Y向推覆过程中结构的能力曲线与需求曲线均相交,如图5所示。此时,X向最大层间位移角为1/82,Y向最大层间位移角为1/162,均小于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[5]要求的限值1/50,说明结构能够满足现行规范对于罕遇地震的要求。塑性铰(轴力铰)出现在支撑的两端(距离支撑端部0.1倍支撑长度处),如图6所示,其他框架柱未出现塑性铰,这说明支撑充分发挥了第一道防线作用,是符合抗震概念设计的。

　　 本工程使用ANSYS软件对梁柱节点做应力分析,分析时节点构件钢板采用壳单元Shell43进行模拟,Shell43为4节点塑性大应变单元,每个节点具有UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ六个方向自由度,具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的特性,适合模拟线性、弯曲及适当厚度的壳体结构。

　　 以L形钢异形柱节点为例,L形柱宽0.15m,两侧肢长0.35m。在节点处柱上端伸出1.5m,下端延伸3.0m(层高);柱两侧焊接0.15m宽侧板;高度为梁高加0.3m(梁翼缘上下各伸出0.15m);梁从柱边伸出长度为0.6m。节点应力分析时,在模型的柱顶部约束Y向(平面外)自由度,柱底部作为固端,约束其六个方向自由度。并将ETABS(2015版)整体模型计算的最大梁端内力输入ANSYS模型中进行计算。

　　 在节点设计时,需保证节点既满足强度以及构造要求,同时也要便于施工。因此,本工程设计过程中采用以下四种方案进行计算对比,最终确定节点做法。

　　 如图7(a)所示,梁柱节点处,与柱相连的框架梁截面为HN298×149×5.5×8,节点无任何加强措施。应力计算结果(图8(a))显示:该节点在侧板外边缘与梁上下翼缘相交位置处出现应力集中,X向主应力数值最大,为460N/mm²,大于应力容许值(310N/mm²)。

　　 如图7(b)所示,梁柱节点处,与柱相连的框架梁截面为HN298×149×5.5×8;并在侧板外边缘与梁上下翼缘相交位置处梁腹板两侧设置加劲肋,加劲肋宽度为梁翼缘外伸宽度,厚度同梁腹板。计算结果(图8(b))显示:该节点在侧板外边缘与梁上下翼缘相交位置处仍然出现应力集中。X向最大主应力由方案一的460N/mm²变为383N/mm²,虽然仍大于应力容许值(310N/mm²),但与无加劲肋计算结果相比,应力有较大幅度的减小。

　　 如图7(c)所示,梁柱节点处,与柱相连的框架梁截面为HN298×149×8×14;仅对梁上下翼缘以及腹板进行加强。应力计算结果(图8(c))显示:该节点在侧板外边缘与梁上下翼缘相交位置处出现应力集中。X向主应力数值最大,为303N/mm²,小于应力容许值(310N/mm²),满足要求,但富余较小。

　　 如图7(d)所示,梁柱节点处,与柱相连的框架梁截面为HN298×149×8×14,对梁上下翼缘以及腹板进行加强且在侧板外边缘与梁上下翼缘相交位置处梁腹板两侧设置加劲肋,加劲肋宽度为梁翼缘外伸宽度,厚度同梁腹板。应力计算结果(图8(d))显示:X向最大主应力为260N/mm²,小于应力容许值(310N/mm²),满足要求,且富余较大。节点转角计算结果(图9)显示:节点的相对转角为0.004 13rad,约为0.237°,能达到刚性节点的要求。因此,本工程采用方案四的措施对梁柱节点部位进行加强。

　　 节点域的抗震验算主要依据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015) ^[6]7.3.5～7.3.8条进行手工验算。经验算,节点域柱腹板的最小厚度为6mm,由节点域的抗剪承载力控制。因此本工程钢框架柱在满足应力比的情况下,最小厚度取6mm,无需采用任何加强措施。

　　 本工程建筑结构形式新颖,没有现成的规范进行参考,因此组织结构专家进行结构设计方案技术论证会。与会专家对采用的钢异形柱支撑框架结构体系及钢异形柱截面形式予以充分肯定,对结构设计中的疑难点提出了指导性意见,针对本工程结构设计方案提出的中肯意见如下:1)异形钢管柱的截面不规则,计算假定偏理想化,应限制结构设计高度;2)因L形异形柱最弱轴在斜平面方向,结构整体计算应补充45°方向地震作用计算;3)控制异形柱应力比以及钢异形柱框架部分所占的倾覆力矩的比例。

　　 针对上述专家的3条主要意见,在设计中进行了调整与补充如下:1)参考《混凝土异形柱结构技术规程》(JGJ 149—2006) ^[7]框架-剪力墙结构的要求,异形柱结构适用的房屋最大高度为40m,本工程将建筑方案予以调整,高度控制在约34m;2)结构整体计算补充45°方向地震作用计算结果;3)控制异形柱应力比在0.8以下,在不影响建筑使用功能的前提下,通过增加支撑来减小钢异形柱框架部分所占的倾覆力矩的比例。

　　 (1)钢异形柱支撑框架结构体系是合理可行的。弹性分析结果表明,本工程结构在多遇地震下承载力及刚度等各项指标均满足规范要求;弹塑性分析的结果表明,结构的能力曲线与需求曲线均相交,结构能够满足现行规范对于罕遇地震的要求;塑性铰出现在支撑的两端,支撑能充分发挥第一道防线作用,符合抗震概念设计。

　　 (2)本工程结构支撑的布置是合理的,既能满足建筑使用功能要求,又能满足结构的计算要求。

　　 (3)本工程梁柱节点连接方案较好地解决了局部应力集中的问题,并且做法不复杂,既经济,又方便施工,具有较好的工程应用参考价值。