楊淑斌，程曉杰

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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某帶高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析

楊淑斌，程曉杰

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

摘要：本文針對某帶有高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻高層建筑工程，建立SATWE和Midas Building兩種不同的力學(xué)模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析計算，通過Midas Building補充罕遇地震下的靜力彈塑性分析研究結(jié)構(gòu)抗震性能，并據(jù)此提出該框支剪力墻結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范和抗震性能目標(biāo)的解決措施，保證結(jié)構(gòu)安全可靠，可供今后此類結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時參考。

關(guān)鍵詞：高位轉(zhuǎn)換；框支剪力墻；靜力彈塑性分析；性能點

0引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，土地集約緊湊型的開發(fā)模式使得現(xiàn)代建筑不僅越來越高且體型日趨復(fù)雜。為了滿足不同空間的使用要求，建筑上下部分采用不同的結(jié)構(gòu)形式，需通過設(shè)置轉(zhuǎn)換層來進(jìn)行內(nèi)力傳遞。帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)由于上、下層豎向構(gòu)件不連續(xù)，結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生變化，容易形成薄弱層，對抗震不利[1]?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2](JGJ3-2010)(以下簡稱《高規(guī)》)中規(guī)定當(dāng)框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的位置超出規(guī)范規(guī)定時，則稱之為帶高位轉(zhuǎn)換的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。目前，國家相關(guān)規(guī)范中此方面的處理措施尚不完整，所以需在具體工程建設(shè)中不斷探索并加以解決。

本文結(jié)合一幢轉(zhuǎn)換層位置在六層的高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)工程，通過采用SATWE和Midas Building軟件建立不同力學(xué)模型分析其抗震性能，并進(jìn)一步補充靜力彈塑性分析，針對不足之處采取行之有效的解決措施，為以后同類建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考。

1工程概況

安徽省某綜合商業(yè)中心，地下一層車庫層高為5m，地上一層至五層商業(yè)層高為5.4m，六層轉(zhuǎn)換層層高為6.3m,七層至二十六層住宅標(biāo)準(zhǔn)層層高3m，二十七層設(shè)備層層高為3.5m，建筑總高度96.8m。該建筑結(jié)構(gòu)類型為現(xiàn)澆鋼筋混凝土部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土強度等級如表1所示，鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB300級。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)(以下簡稱《抗規(guī)》)[3]和《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，7度抗震設(shè)防烈度，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計地震加速度為0.10g，特征周期為0.35s，設(shè)計使用年限50年，該建筑為丙類建筑，安全等級為二級，基本風(fēng)壓(50年重現(xiàn)期)為0.35KN/m2，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

表1　混凝土強度等級

圖1結(jié)構(gòu)平面布置圖

2結(jié)構(gòu)整體模型分析

2.1軟件選用及結(jié)構(gòu)整體模型

本工程采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件尺寸為：轉(zhuǎn)換梁1000mm×2000mm(局部800mm×2000mm)，框支柱1200mm×1200mm(內(nèi)置600mm×250mm×16mm×25mmH型鋼)，落地剪力墻厚度400mm，標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻厚度200mm。荷載取值由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4](GB50009-2012)和業(yè)主要求決定。同時由于本工程屬特別不規(guī)則的超限高層建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范要求，采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM系列SATWE軟件和北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開發(fā)MIDAS Building有限元分析軟件建立不同的力學(xué)模型對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，保證結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體模型如圖2所示：

圖2結(jié)構(gòu)整體模型

2.2結(jié)構(gòu)動力特性分析

結(jié)構(gòu)動力特性分析采用SATWE和MIDAS Building進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法計算，考慮偶然偏心和雙向水平地震作用，為了避免模型差異與施工次序的影響采用施工模擬3次序加載，同時考慮連粱剛度折減和周期折減，其余主要計算參數(shù)均按照相關(guān)規(guī)范取值。整體計算結(jié)果對比分析如表2所示。

計算結(jié)果分析[5]：

(1)由表2中結(jié)果，對振型分析可知，該結(jié)構(gòu)的第一、二振型分別為沿X和Y方向平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型，且周期比T3/T1<0.9，說明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度滿足規(guī)范要求。

(2)該結(jié)構(gòu)的兩種計算模型得出來的剪重比均大于1.6%，說明最小水平地震剪力滿足規(guī)范要求。

(3)計算結(jié)果表明兩種分析模型的振型參與的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，滿足《抗規(guī)》5.2.2條文說明中規(guī)定要求。

(4)層間位移角是保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)和各種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好，避免產(chǎn)生明顯損傷的重要控制指標(biāo)。從計算結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均滿足《抗規(guī)》要求。

表2　SATWE和Midas Building分析結(jié)果

圖3樓層位移

(5)結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性主要通過位移比來控制，國內(nèi)外震害表明，往往破壞比較嚴(yán)重的是平面不規(guī)則和扭轉(zhuǎn)剛度太弱的結(jié)構(gòu)。表2中該結(jié)構(gòu)的位移比數(shù)值均小于《高規(guī)》位移比限值，滿足規(guī)范要求。

(6)通過對計算結(jié)果分析，可得到水平地震作用下的樓層位移曲線，如圖3所示。結(jié)果表明，雖然Midas的計算結(jié)果比SATWE的結(jié)果略大，但均能滿足規(guī)范要求。

3彈性時程分析

本工程采用SATWE有限元分析軟件進(jìn)行多遇地震下彈性時程分析補充計算。根據(jù)規(guī)范地震動三要素和天然波數(shù)量不應(yīng)小于總數(shù)量的2/3的要求，本次計算共選取3條地震波：2條天然波為TpTG035和TpTG035，1條人工波為RH1TG035。彈性時程計算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計算的結(jié)果對比見表3:

表3　振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析比較

由表3的計算結(jié)果可知：本次時程分析所選地震波計算出X向和Y向的基底剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%，同時X向和Y向時程平均值分別為81.5%和83.2%均大于振型分解反應(yīng)譜法的80%，說明本次計算所選的三條地震波是合理、可靠的，符合規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。

4靜力彈塑性分析

4.1靜力彈塑性分析原理

為了進(jìn)一步研究該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能，本文采用Midas Building軟件補充靜力彈塑性分析(Pushover)。大量實踐表明，Pushover 方法不僅能夠檢驗結(jié)構(gòu)在多遇地震下的彈性計算結(jié)果，更重要的是可以分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下出現(xiàn)的破壞形態(tài)，找準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，效果比《抗規(guī)》中關(guān)于結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形計算更進(jìn)一步[6]。

Pushover分析是為了獲得結(jié)構(gòu)的性能點，即一定水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的極限承載力和變形能力點。主要步驟如下：按照指定的加載模式獲得的荷載-位移曲線，轉(zhuǎn)換為單自由度體系的能力譜，同時把加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為需求譜，將這兩條譜曲線畫在同一坐標(biāo)系中，交點即為所求結(jié)構(gòu)的性能點。因此可以通過定義不同的需求譜來驗算結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下的承載能力和變形能力，實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震設(shè)計原則[7]。

4.2靜力彈塑性結(jié)果分析

Midas Building中采用FEMA-273[8]和ATC-40中提供的能力譜法來評價結(jié)構(gòu)的抗震性能，軟件中的塑性鉸特性分為雙折線型、三折線型及FEMA鉸三種類型。本工程采用FEMA骨架曲線來計算結(jié)構(gòu)的塑性鉸特性，如圖4所示；墻單元采用纖維模型，材料的本構(gòu)模型為理想的彈塑性雙折線類型。

圖4FEMA鉸類型的塑性鉸特性

由結(jié)構(gòu)動力特性分析可知，結(jié)構(gòu)的第一、二振型分別是沿X方向和Y方向平動。本文以水平分布荷載為加載模式，以位移增量為增量控制，同時為模擬建筑物的實際受力情況，考慮結(jié)構(gòu)在自重和部分活荷載作用下的初始內(nèi)力和變形，對X方向和Y方向進(jìn)行推覆分析。因此本次計算中結(jié)構(gòu)所承受的初始荷載為1.0×恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值+0.5×活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。對結(jié)構(gòu)處于性能點時的抗震性能進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能表現(xiàn)，分析結(jié)果如圖5所示：

圖5結(jié)構(gòu)能力譜-需求譜曲線

由曲線分析可知，罕遇地震作用下X向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/276，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第15層，Y向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/232，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第14層，均小于《抗規(guī)》第5.5.5條規(guī)定的彈塑性層間位移角限值[θp]=1/120要求。罕遇地震下性能點對應(yīng)的基底剪力32413KN，最大位移為0.34m，滿足規(guī)范要求。

計算結(jié)果表明：7度基本烈度地震下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，關(guān)鍵構(gòu)件均未屈服。水平荷載達(dá)到7度罕遇地震作用水平時，結(jié)構(gòu)層間位移滿足規(guī)范要求，墻、柱腳均未出現(xiàn)屈服，框架梁部分屈服但其塑性發(fā)展程度較淺，達(dá)到了“強柱弱梁”延性設(shè)計要求，符合結(jié)構(gòu)抗震工程的“大震不倒”概念設(shè)計要求。

5結(jié)論

本工程采用SATWE和Midas Building軟件建立兩個不同力學(xué)模型對比分析，計算結(jié)果基本一致，說明結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置與構(gòu)件尺寸基本合理。通過補充彈性時程分析和靜力彈塑性分析地震作用下的地震反應(yīng)，得出以下結(jié)論：

(1)通過模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)的周期比略接近于0.9規(guī)范所允許的限值，可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，如剪力墻分散、均勻，沿結(jié)構(gòu)周邊布置。

(2)合理選擇轉(zhuǎn)換構(gòu)件類型，如采用寬扁梁做為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，有研究表明寬扁梁可以使轉(zhuǎn)換層上部與下部的側(cè)向剛度變化平緩，有效避免薄弱層出現(xiàn)，可更好的為上部結(jié)構(gòu)提供了嵌固[9]。

(3)通過靜力彈塑性的分析結(jié)果可以判斷轉(zhuǎn)換層在罕遇地震下層間位移角能滿足規(guī)范限值，雖然轉(zhuǎn)換層位置設(shè)置超過規(guī)范限制，但結(jié)構(gòu)仍有良好的抗震能力，有一定的延性屈服能力，保證安全。

(4)雖然本工程的各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求，考慮到本工程為超限高層建筑，可采用加強措施來適當(dāng)調(diào)高剪力墻底部加強部位分布筋的配筋率、適當(dāng)提高框支柱的配筋率及配箍率以提高結(jié)構(gòu)的延性。

隨著高層建筑的發(fā)展，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置位置也越來越高,本文僅以轉(zhuǎn)換層設(shè)置在6層時進(jìn)行分析，對在其他位置時結(jié)構(gòu)抗震性能所產(chǎn)生的影響尚需進(jìn)一步研究。

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Analysis on Seismic Performance of Frame-Supported
Shear Wall Structure with High-Level Transfer

Yang Shubin， CHENG Xiaojie

(School Of Civil Engineering , Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China)

Abstract:In this paper, a high - level conversion frame shear wall high-rise building engineering, the structure was calculated by SATWE and Building Midas two different mechanical models.. The seismic behavior of the structure is studied by using the Building Midas to meet the static elastic-plastic analysis of rare earthquake. Based on this, the specifications of frame-supported shear wall structure together with the solutions of seismic performance objectives are put forward in order to ensure the safety as well as reliability of structure, which is able to provide references for the seismic design of similar structure in the future.

Key words:high-level transfer; frame-supported shear wall structure; nonlinear static analysis; performance point

作者簡介：楊淑斌(1991-),男,碩士生，主要研究方向為工程結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150603

中圖分類號：TU973

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)06-011-05

收稿日期：2015-05-14

基金項目：安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項目(KJ2014ZD07)