10.2 大跨屋盖建筑

(Ⅰ)一般规定

10.2.1 近年来,大跨屋盖的建筑工程越来越广泛。为适应该类结构抗震设计的要求,本次修订增加了大跨屋盖建筑结构抗震设计的相关规定,并形成单独一节。
    本条规定了本规范适用的屋盖结构范围及主要结构形式。本规范的大跨屋盖建筑是指与传统板式、梁板式屋盖结构相区别,具有更大跨越能力的屋盖体系,不应单从跨度大小的角度来理解大跨屋盖建筑结构。
    大跨屋盖的结构形式多样,新形式也不断出现,本规范适用于一些常用结构形式,包括:拱、平面桁架、立体桁架、网架、网壳、张弦梁和弦支穹顶等七类基本形式以及由这些基本形式组合而成的结构。相应的,针对于这些屋盖结构形式的抗震研究开展较多,也积累了一定的抗震设计经验。
    对于悬索结构、膜结构、索杆张力结构等柔性屋盖体系,由于几何非线性效应,其地震作用计算方法和抗震设计理论目前尚不成熟,本次修订暂不纳入。此外,大跨屋盖结构基本以钢结构为主,故本节也未对混凝土薄壳、组合网架、组合网壳等屋盖结构形式作出具体规定。
    还需指出的是,对于存在拉索的预张拉屋盖结构,总体可分为三类:预应力结构,如预应力桁架、网架或网壳等;悬挂(斜拉)结构,如悬挂(斜拉)桁架、网架或网壳等;张弦结构,主要指张弦梁结构和弦支穹顶结构。本节中,预应力结构、悬挂(斜拉)结构归类在其依托的基本形式中。考虑到张弦结构的受力性能与常规预应力结构、悬挂(斜拉)结构有较大的区别,且是近些年发展起来的一类大跨屋盖结构新体系,因此将其作为基本形式列入。
    大跨屋盖的结构新形式不断出现、体型复杂化、跨度极限不断突破,为保证结构的安全性,避免抗震性能差、受力很不合理的结构形式被采用,有必要对超出适用范围的大型建筑屋盖结构进行专门的抗震性能研究和论证,这也是国际上通常采用的技术保障措施。根据当前工程实践经验,对于跨度大于120m、结构单元长度大于300m或悬挑长度大于40m的屋盖结构,需要进行专门的抗震性能研究和论证。同时由于抗震设计经验的缺乏,新出现的屋盖结构形式也需要进行专门的研究和论证。
    对于可开启屋盖,也属于非常用形式之一,其抗震设计除满足本节的规定外,与开闭功能有关的设计也需要另行研究和论证。

10.2.2 本条规定为抗震概念设计的主要原则,是本规范第3.4节和第3.5节规定的补充。
    大跨屋盖结构的选型和布置首先应保证屋盖的地震效应能够有效地通过支座节点传递给下部结构或基础,且传递途径合理。
    屋盖结构的地震作用不仅与屋盖自身结构相关,而且还与支承条件以及下部结构的动力性能密切相关,是整体结构的反应。根据抗震概念设计的基本原则,屋盖结构及其支承点的布置宜均匀对称,具有合理的刚度和承载力分布。同时下部结构设计也应充分考虑屋盖结构地震响应的特点,避免采用很不规则的结构布置而造成屋盖结构产生过大的地震扭转效应。
    屋盖自身的结构形式宜优先采用两个水平方向刚度均衡、整体刚度良好的网架、网壳、双向立体桁架、双向张弦梁或弦支穹顶等空间传力体系。同时宜避免局部削弱或突变的薄弱部位。对于可能出现的薄弱部位,应采取措施提高抗震能力。

10.2.3 本条针对屋盖体系自身传递地震作用的主要特点,对两类结构的布置要求作了规定。
    1 单向传力体系的抗震薄弱环节是垂直于主结构(桁架、拱、张弦梁)方向的水平地震力传递以及主结构的平面外稳定性,设置可靠的屋盖支撑是重要的抗震措施。在单榀立体桁架中,与屋面支撑同层的两(多)根主弦杆间也应设置斜杆。这一方面可提高桁架的平面外刚度,同时也使得纵向水平地震内力在同层主弦杆中分布均匀,避免薄弱区域的出现。
    当桁架支座采用下弦节点支承时,必须采取有效措施确保支座处桁架不发生平面外扭转,设置纵向桁架是一种有效的做法,同时还可保证纵向水平地震力的有效传递。
    2 空间传力结构体系具有良好的整体性和空间受力特点,抗震性能优于单向传力体系。对于平面形状为矩形且三边支承一边开口的屋盖结构,可以通过在开口边局部增加层数来形成边桁架,以提高开口边的刚度和加强结构整体性。对于两向正交正放网架和双向张弦梁,屋盖平面内的水平刚度较弱。为保证结构的整体性及水平地震作用的有效传递与分配,应沿上弦周边网格设置封闭的水平支撑。当结构跨度较大或下弦周边支承时,下弦周边网格也应设置封闭的水平支撑。

10.2.4 当屋盖分区域采用不同抗震性能的结构形式时,在结构交界区域通常会产生复杂的地震响应,一般避免采用此类结构。如确要采用,应对交界区域的杆件和节点采用加强措施。如果建筑设计和下部支承条件允许,设置防震缝也是可采用的有效措施。此时,由于实际工程情况复杂,为避免其两侧结构在强烈地震中碰撞,条文规定的防震缝宽度可能不足,最好按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来复核。对于规则结构,缝宽也可将多遇地震下的最大相对变形值乘以不小于3的放大系数近似估计。

(Ⅱ)计算要点

10.2.6 本条规定屋盖结构可不进行地震作用计算的范围。
    1 研究表明,单向平面桁架和单向立体桁架是否受沿桁架方向的水平地震效应控制主要取决于矢跨比的大小。对于矢跨比小于1/5的该类结构,水平地震效应较小,7度时可不进行沿桁架的水平向和竖向地震作用计算。但是由于垂直桁架方向的水平地震作用主要由屋盖支撑承担,本节并没有对支撑的布置进行详细规定,因此对于7度及7度以上的该类体系,均应进行垂直于桁架方向的水平地震作用计算并对支撑构件进行验算。
    2 网架属于平板形屋盖结构。大量计算分析结果表明,当支承结构刚度较大时,网架结构以竖向振动为主。7度时,网架结构的设计往往由非地震作用工况控制,因此可不进行地震作用计算,但应满足相应的抗震措施的要求。

10.2.7 本条规定抗震计算模型。
    1 屋盖结构自身的地震效应是与下部结构协同工作的结果。由于下部结构的竖向刚度一般较大,以往在屋盖结构的竖向地震作用计算时通常习惯于仅单独以屋盖结构作为分析模型。但研究表明,不考虑屋盖结构与下部结构的协同工作,会对屋盖结构的地震作用,特别是水平地震作用计算产生显著影响,甚至得出错误结果。即便在竖向地震作用计算时,当下部结构给屋盖提供的竖向刚度较弱或分布不均匀时,仅按屋盖结构模型所计算的结果也会产生较大的误差。因此,考虑上下部结构的协同作用是屋盖结构地震作用计算的基本原则。
    考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按整体结构模型进行地震作用计算。因此对于不规则的结构,抗震计算应采用整体结构模型。当下部结构比较规则时,也可以采用一些简化方法(譬如等效为支座弹性约束)来计入下部结构的影响。但是,这种简化必须依据可靠且符合动力学原理。
    2 研究表明,对于跨度较大的张弦梁和弦支穹顶结构,由预张力引起的非线性几何刚度对结构动力特性有一定的影响。此外,对于某些布索方案(譬如肋环型布索)的弦支穹顶结构,撑杆和下弦拉索系统实际上是需要依靠预张力来保证体系稳定性的几何可变体系,且不计入几何刚度也将导致结构总刚矩阵奇异。因此,这些形式的张弦结构计算模型就必须计入几何刚度。几何刚度一般可取重力荷载代表值作用下的结构平衡态的内力(包括预张力)贡献。

10.2.8 本条规定了整体、协同计算时的阻尼比取值。
    屋盖钢结构和下部混凝土支承结构的阻尼比不同,协同分析时阻尼比取值方面的研究较少。工程设计中阻尼比取值大多在0.025~0.035间,具体数值一般认为与屋盖钢结构和下部混凝土支承结构的组成比例有关。下面根据位能等效原则提供两种计算整体结构阻尼比的方法,供设计中采用。
    方法一:振型阻尼比法。振型阻尼比是指针对于各阶振型所定义的阻尼比。组合结构中,不同材料的能量耗散机理不同,因此相应构件的阻尼比也不相同,一般钢构件取0.02,混凝土构件取0.05。对于每一阶振型,不同构件单元对于振型阻尼比的贡献认为与单元变形能有关,变形能大的单元对该振型阻尼比的贡献较大,反之则较小。所以,可根据该阶振型下的单元变形能,采用加权平均的方法计算出振型阻尼比ζi

    方法二:统一阻尼比法。依然采用方法一的公式,但并不针对各振型i分别计算单元变形能Wsi,而是取各单元在重力荷载代表值作用下的变形能Wsi,这样便求得对应于整体结构的一个阻尼比。
    在罕遇地震作用下,一些实际工程的计算结果表明,屋盖钢结构也仅有少量构件能进入塑性屈服状态,所以阻尼比仍建议与多遇地震下的结构阻尼比取值相同。

10.2.9 本条规定水平地震作用的计算方向和宜考虑水平多向地震作用计算的范围。
    不同于单向传力体系,空间传力体系的屋盖结构通常难以明确划分为沿某个方向的抗侧力构件,通常需要沿两个水平主轴方向同时计算水平地震作用。对于平面为圆形、正多边形的屋盖结构,可能存在两个以上的主轴方向,此时需要根据实际情况增加地震作用的计算方向。另外,当屋盖结构、支承条件或下部结构的布置明显不对称时,也应增加水平地震作用的计算方向。

10.2.10 本条规定了屋盖结构地震作用计算的方法。
    本节适用的大跨屋盖结构形式属于线性结构范畴,因此振型分解反应谱法依然可作为是结构弹性地震效应计算的基本方法。随着近年来结构动力学理论和计算技术的发展,一些更为精确的动力学计算方法逐步被接受和应用,包括多向地震反应谱法、时程分析法,甚至多向随机振动分析方法。对于结构动力响应复杂和跨度较大的结构,应该鼓励采用这些方法进行地震作用计算,以作为振型分解反应谱法的补充。
    自振周期分布密集是大跨屋盖结构区别于多高层结构的重要特点。在采用振型分解反应谱法时,一般应考虑更多阶振型的组合。研究表明,在不按上下部结构整体模型进行计算时,网架结构的组合振型数宜至少取前(10~15)阶,网壳结构宜至少取前(25~30)阶。对于体型复杂的屋盖结构或按上下部结构整体模型计算时,应取更多阶组合振型。对于存在明显扭转效应的屋盖结构,组合应采用完全二次型方根(CQC)法。

10.2.11 对于单向传力体系,结构的抗侧力构件通常是明确的。桁架构件抵抗其面内的水平地震作用和竖向地震作用,垂直桁架方向的水平地震作用则由屋盖支撑承担。因此,可针对各向抗侧力构件分别进行地震作用计算。
    除单向传力体系外,一般屋盖结构的构件难以明确划分为沿某个方向的抗侧力构件,即构件的地震效应往往包含三向地震作用的结果,因此其构件验算应考虑三向(两个水平向和竖向)地震作用效应的组合,其组合值系数可按本规范第5章的规定采用。这也是基本原则。

10.2.12 多遇地震作用下的屋盖结构变形限值部分参考了《空间网格结构技术规程》的相关规定。

10.2.13 本条规定屋盖构件及其连接的抗震验算。
    大跨屋盖结构由于其自重轻、刚度好,所受震害一般要小于其他类型的结构。但震害情况也表明,支座及其邻近构件发生破坏的情况较多,因此通过放大地震作用效应来提高该区域杆件和节点的承载力,是重要的抗震措施。由于通常该区域的节点和杆件数量不多,对于总工程造价的增加是有限的。
    拉索是预张拉结构的重要构件。在多遇地震作用下,应保证拉索不发生松弛而退出工作。在设防烈度下,也宜保证拉索在各地震作用参与的工况组合下不出现松弛。

(Ⅲ)抗震构造措施

10.2.14 本条规定了杆件的长细比限值。
    杆件长细比限值参考了国家现行标准《钢结构设计规范》GB 50017和《空间网格结构技术规程》JGJ 7的相关规定,并作了适当加强。

10.2.15 本条规定了节点的构造要求。
    节点选型要与屋盖结构的类型及整体刚度等因素结合起来,采用的节点要便于加工、制作、焊接。设计中,结构杆件内力的正确计算,必须用有效的构造措施来保证,其中节点构造应符合计算假定。
    在地震作用下,节点应不先于杆件破坏,也不产生不可恢复的变形,所以要求节点具有足够的强度和刚度。杆件相交于节点中心将不产生附加弯矩,也使模型计算假定更加符合实际情况。

10.2.16 本条规定了屋盖支座的抗震构造。
    支座节点是屋盖地震作用传递给下部结构的关键部件,其构造应与结构分析所取的边界条件相符,否则将使结构实际内力与计算内力出现较大差异,并可能危及结构的整体安全。
    支座节点往往是地震破坏的部位,属于前面定义的关键节点的范畴,应予加强。在节点验算方面,对地震作用效应进行了必要的提高(第10.2.13条)。此外根据延性设计的要求,支座节点在超过设防烈度的地震作用下,应有一定的抗变形能力。但对于水平可滑动的支座节点,较难得到保证。因此建议按设防烈度计算值作为可滑动支座的位移限值(确定支承面的大小),在罕遇地震作用下采用限位措施确保不致滑移出支承面。
    对于8、9度时多遇地震下竖向仅受压的支座节点,考虑到在强烈地震作用(如中震、大震)下可能出现受拉,因此建议采用构造上也能承受拉力的拉压型支座形式,且预埋锚筋、锚栓也按受拉情况进行构造配置。