基于MIDAS的某帶端部轉換剪力墻結構的抗震性能分析

林寶新1,2,陳明1,許加義1

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230022; 2.安徽建筑大學 建筑設計研究院，安徽 合肥230022)

摘要:文章以某高層剪力墻結構帶端部轉換為例,采用有限元軟件MIDAS/Building進行多遇地震下的彈性計算、罕遇地震下的彈塑性分析及樓板應力分析,對托墻轉換構件采用小震、中震彈性雙控設計,對結構整體及構件的抗震性能進行評估。計算結果表明,通過加強措施后,結構布置合理,無明顯剛度薄弱層和過大扭轉位移比,結構具有良好的屈服機制。

關鍵詞:端部轉換;MIDAS軟件;彈塑性分析;抗震性能

收稿日期：2015-01-30；修回日期：2015-03-23

作者簡介：林寶新(1966-),男,安徽和縣人,安徽建筑大學教授級高工,碩士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.06.020

中圖分類號:TU375文獻標識碼：A

MIDAS-basedseismicperformanceanalysisofahigh-riseshearwallstructurewithterminaltransformation

LINBao-xin1,2,CHENMing1,XU Jia-yi1

(1.SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China; 2.InstituteofArchitecturalDesignandResearch,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Abstract:Takingahigh-riseshearwallstructurewithterminaltransformationasanexample,theelasticcalculationunderfrequentearthquakeandtheelastic-plasticcalculationunderrareearthquakeandthestressanalysisoftransferstory’sfloorareperformedbyusingthefiniteelementsoftwareMIDAS/Building.Theelasticdouble-controlmethodisusedtodesigntransfermemberunderfrequentandmediumearthquake,andtheseismicperformanceofwholestructureandtransfermemberisalsoevaluated.Theanalysisresultsindicatethatthestructurehasawellyieldmechanismwithoutstiffnessweaklayerandoversizetorsionaldisplacementratiobystrengtheningmeasures.

Keywords:terminaltransformation;MIDASsoftware;elastic-plasticcalculation;seismicperformance

高層建筑帶轉換結構往往下部大開間、上部小開間,是一種豎向不規(guī)則的復雜結構[1],同時如轉換構件位于建筑單體端部,則結構底部質心與剛心差別大,易導致扭轉形成平面不規(guī)則。結構在轉換層附近的豎向剛度易突變,轉換層會產生嚴重的應力集中現(xiàn)象,一旦傳力途徑缺失會產生連續(xù)倒塌,對抗震設計十分不利。端部轉換造成結構平面不規(guī)則,在地震作用下易產生扭轉效應。這就要求設計中必須采用合理的結構形式,在豎向實現(xiàn)樓層上下部分的合理過渡,在平面合理布置剪力墻以減弱扭轉效應。文獻[2]第3.6.2條規(guī)定:“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導致重大地震破壞的建筑結構,應按本規(guī)范有關規(guī)定進行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析”。

1工程概況與抗震性能目標

合肥市某小區(qū)5#樓,地下1層,層高5.6 m;地上31層,結構在商業(yè)3層(即住宅4層)平面端部托墻框支轉換,住宅4～31層標準層高2.9 m,建筑高度為89.9 m,平面、剖面如圖1、圖2所示,轉換層以下⑥軸附近存在錯層[3]?？蛑е齂ZZ2截面為700mm×1 400mm外,其余截面均為700mm×1 100mm;框支梁截面均為900mm×1 000mm。本工程抗震設防分類為丙類,設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10g,場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第1組。

圖1　轉換層平面布置圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2?、彷S剖面圖

本工程分2階段抗震設計,在滿足基本設防目標的前提下,結合抗震性能設計要求,選用等級為C的性能目標[1],具體見表1所列,其中框支柱、梁按 “關鍵構件”設計[1]。

表1　抗震性能目標

2多遇地震下振型分解反應譜分析

采用剛性樓板假定,考慮偶然偏心,地震影響系數(shù)最大值取0.08,特征周期0.35s,結構阻尼比為0.05,周期折減系數(shù)為0.9,連梁折減系數(shù)為0.7。計算結果見表2所列，結構第3自振周期T3為1.625 s。

表2　整體計算主要結果

計算結果表明周期比為0.751<0.9,結構前三振型如圖3所示。結構樓層最小剪重比大于1.6%；在考慮偶然偏心和雙向地震作用下,樓層最大層間位移角小于1/1 000,框支柱的最大軸壓比為0.21<0.6；轉換層與相鄰上層的側向剛度比γe1大于0.6,轉換層下部結構與上部結構的等效側向剛度比γe2大于0.8,滿足規(guī)范要求；扭轉位移比小于1.4,說明結構平面布局合理,未出現(xiàn)過大偏心距。各計算指標滿足規(guī)范要求,可保證“小震不壞”的設防準則。

圖3　基本振型

3設防烈度下中震等效彈性分析

根據(jù)性能目標,關鍵構件框支柱、框支梁采用中震彈性設計,底部加強區(qū)剪力墻按抗剪彈性設計,一般剪力墻按中震不屈服及多遇地震分析結果的較大值設計,水平地震影響系數(shù)最大值取0.23,不考慮地震內力調整系數(shù),即強柱弱梁、強剪弱彎的調整系數(shù)均取1.0。

(1) 中震彈性設計。荷載組合調整系數(shù)和抗震承載力調整系數(shù)采用與小震相同的數(shù)值,連梁折減系數(shù)取0.6。計算結果表明結構在中震作用下基本處于彈性階段,抗震承載力滿足中震彈性性能目標要求。

(2) 中震不屈服設計。不考慮風荷載效應,荷載分項系數(shù)和抗震承載力調整系數(shù)取1.0,材料強度采用標準值,連梁折減系數(shù)取0.5。

(3) 框支梁柱分別?、彷SKZL1、KZZ1為研究對象,不同地震水準下構件在同一部位、某一工況下荷載效應見表3所列,數(shù)據(jù)表明中震不屈服設計內力與小震彈性設計內力相當,框支梁、柱抗剪承載力均滿足中震性能目標要求。

表3　構件荷載效應

由于整體彎曲在中震情況下可能會在底部墻肢中產生拉應力,為防止墻肢產生受拉裂縫從而造成結構整體剛度退化,對中震下底部墻肢進行了拉應力校核[4]。計算結果表明:在中震不屈服Y主方向地震力作用下,在底部加強區(qū)剪力墻最外邊緣部位的極小范圍(小于結構整體的1%)出現(xiàn)拉應力,且最大拉應力為3.37MPa,小于2ftk=4.78MPa。剪力墻抗剪、抗彎均滿足中震性能目標要求。

4罕遇地震下靜力彈塑性分析

該結構通過靜力彈塑性分析驗算彈塑性層間位移,評估結構的抗震性能,找出薄弱部位,以采取相應措施進行加強。推覆計算采用位移增量控制方法,控制點為剪力墻頂點,停機位移取建筑總高1/100,選振型加載模式第1振型作為荷載工況對X、Y方向進行推覆分析。采用彈性樓板假定,選用計算配筋,超配系數(shù)為1.15,并考慮梁柱交接剛域[5]。

(1) 材料的本構模型?；炷敛捎梦墨I[6]單軸混凝土應力應變關系模型,鋼筋采用雙折線模型。

(2) 分析模型。梁、柱采用非線性塑性鉸單元,其中梁采用彎矩-轉角鉸,柱采用軸力彎矩耦合鉸;剪力墻采用非線性纖維模型,轉換梁作為墻單元輸入。

4.1　結構整體抗震性能

結構沿X、Y向能力譜法分析結果如圖4所示。彈塑性需求譜與能力譜相交,交點即為罕遇地震下的性能控制點。性能點處X、Y向的層間位移角分別為1/349和1/444,分別出現(xiàn)在推覆的第11加載步和第9加載步,且均小于剪力墻結構的彈塑性層間位移限值1/120,可保證結構整體“大震不倒”的抗震設防目標。

性能點處X向基底剪力為13 440kN,剪重比為5.41%;Y向基底剪力為14 010kN,剪重比為5.64%。分別為小震彈性基底剪力的3.36倍和3.34倍,結構在罕遇地震下的能力曲線在經過性能點后仍有明顯的上升態(tài)勢,能實現(xiàn)“大震不倒”的設防要求。

圖4　罕見地震下能力譜法分析結果

4.2　結構構件梁、柱性能評估

塑性鉸本構模型如圖5所示,其中B為屈服狀態(tài),IO為直接居住狀態(tài)、輕微損壞,LS為使用安全狀態(tài)、中等破壞,CP為防止倒塌狀態(tài)、嚴重破壞,C、D為極限狀態(tài),E為坍塌狀態(tài)。塑性鉸塑性變形容許準則見表4所列。

圖5　 FEMA塑性鉸本構模型

控制指標轉角/rad框梁框柱IO0.0050.003LS0.0100.012CP0.0200.015

2個方向的推覆顯示:樓層中部連梁梁端率先進入B屈服,之后向頂部、底部樓層發(fā)展,隨著加載步的增加,轉換層連梁普遍出現(xiàn)B屈服,有的達到CP狀態(tài),部分框架梁(跨高比大于5)端也出現(xiàn)B屈服,且框梁普遍晚于連梁進入屈服狀態(tài)。到性能點時,轉換層梁、柱出鉸情況如圖6所示,轉換層梁端大多進入B屈服,少量達到LS中等破壞狀態(tài),框支柱未出鉸,表明結構具有很好的延性和足夠的安全儲備。

圖6　轉換層梁鉸分布圖

4.3　結構構件剪力墻(含轉換梁)性能評估

轉換梁為墻單元,剪力墻采用混凝土的壓應變、鋼筋的拉壓應變及混凝土的剪切應變來評估剪力墻的破壞程度,各應變等級取值見表5所列。其中當混凝土的抗壓破壞等級為3級、鋼筋的拉壓破壞等級為2級時定義為屈服狀態(tài),剪切應變的第1等級和第2等級認為是彈性狀態(tài),第3等級可認為是屈服狀態(tài),第4等級可定義為屈服后狀態(tài),第5等級可認為是極限狀態(tài)[7]。

表5　剪力墻各應變等級取值

轉換層在性能點時剪力墻X、Y向各應變等級分布如圖7、圖8所示。

從結構整體看,在罕遇地震下剪力墻混凝土的受壓均為彈性狀態(tài);99.8%的鋼筋拉壓應變處于彈性狀態(tài)(小于等級2);99.7%的混凝土剪切應變處于彈性狀態(tài)(小于等級3),但轉換層處98.6%處于彈性狀態(tài)。

由圖8c可以看出,與上托剪力墻相連處轉換梁出現(xiàn)局部剪切破壞。轉換梁及上部剪力墻Y向剪切破壞分布如圖9所示。

圖7　X向為主方向轉換層剪力墻各應變等級分布圖

圖8　Y向為主方向轉換層剪力墻各應變等級分布圖

圖9進一步顯示,該位置在⑧軸上,轉換梁及其上托剪力墻在端部出現(xiàn)局部剪切破壞,達到屈服狀態(tài)。框支梁柱按實配鋼筋進行推覆分析表明,混凝土的剪切應變有明顯改善。

轉換梁上部承托剪力墻,非滿跨剪力墻以荷載的形式作用在轉換梁上,使轉換梁剪力發(fā)生突變。若墻滿跨布置,則轉換梁與剪力墻共同工作,可降低轉換梁端剪力。增加⑧軸轉換梁以上2層的剪力墻長度至滿跨,Y向推覆結果如圖10所示,作為關鍵構件轉換梁未出現(xiàn)剪切破壞,處于彈性工作狀態(tài),轉換梁上托剪力墻滿跨布置,對轉換梁的受力有利。

圖9　轉換梁及上部剪力墻 Y向剪切破壞分布圖

推覆分析表明:

結構整體滿足罕遇地震作用下的抗震性能設防目標,轉換層結構豎向與轉換構件具有很好的抗震能力。

圖10　上部滿跨布置剪力墻的剪切破壞分布圖

5樓板應力分析

樓板協(xié)調同一樓層中豎向構件的變形,使建筑物形成一完整的抗側力體系。若結構帶有轉換層,這就需要轉換層樓板把不落地剪力墻的水平荷載傳遞到落地剪力墻上,由于樓板的變形很大,所以必須有足夠的剛度作為保證。

本工程轉換層采用彈性樓板假定,其他樓層定義為剛性樓板,考慮水平地震作用、豎向地震作用、風荷載作用和長期撓度作用下的樓板應力。

轉換層在多遇地震和罕遇地震下的樓板應力如圖11所示。

圖11　各地震作用樓板應力云圖

在多遇地震下,與剪力墻相連處的樓板主要承受拉應力,連續(xù)板塊的中部多承受壓應力,板塊拉應力95.3%低于2.66MPa,小于C60混凝土抗拉強度標準值2.85MPa,小震作用下混凝土核心層不發(fā)生裂縫;罕遇地震下樓板大多出現(xiàn)拉應力,整個板塊的7.6%超過10.4MPa,最大值達到21.1MPa。轉換層樓板剪力設計值應符合下列公式及文獻[1]第10.2.24條的要求:

(1)

(2)

其中，Vf為由不落地剪力墻傳到落地剪力墻處按剛性樓板計算的框支層樓板組合的剪力設計值;bf、tf分別為框支轉換層樓板的驗算截面寬度和厚度;As為穿過落地剪力墻的框支層樓蓋(包括梁和板)的全部鋼筋的截面面積;γRE為承載力抗震調整系數(shù),可取0.85。

不落地剪力墻的Y向剪力值見表6所列。

表6　不落地剪力墻剪力值　 kN

將以上參數(shù)代入(1)式、(2)式，可得：

Vf≤(0.1×1×27.5×8 500×180)/0.85=

4 950 kN,

23 733 kN。

計算結果表明轉換層樓板抗剪滿足規(guī)范要求。

6抗震加強措施

(2) 樓板應力分析表明,轉換層樓板厚不小于180mm,采用雙層雙向配筋,且最小配筋率不小于0.25%。為保證應力傳遞,轉換層相鄰樓層墻體水平筋與邊緣構件配筋應適當加強。

(3) 提高剪力墻底部加強區(qū)配筋率,尤其加強與轉換梁相連處的剪力墻配筋[8]。

(4) 減弱扭轉的不利影響,使結構質心與剛心盡量接近。當扭轉位移比太大時,加強結構四周的剛度,合理布置剪力墻以減小偏心距。

(5) 轉換梁上部剪力墻應盡量滿跨布置在框支柱間,形成深梁,以達到與上部剪力墻共同作用,降低框支梁跨中彎矩和梁端剪力。

7結論

(1) 多遇地震下結構彈性分析表明,樓層最大位移比、側向剛度比等滿足規(guī)范要求,可保證結構“小震不壞”的設防水準。

(2) 通過中震彈性和中震不屈服的內力組合對主要豎向構件和轉換梁進行分析,可以判定結構能夠滿足“中震可修”及既定的性能目標。

(3) 罕遇地震作用下的結構分析考慮轉換梁及相連剪力墻受力特點,采用合理的計算模型、材料本構關系及塑性鉸的破壞準則,以真實反映結構的薄弱部位。結果表明結構布局合理,轉換層及上下層無明顯結構薄弱層,結構具有良好的抗震能力。

(4) 通過性能化設計并采取適當?shù)目拐鸺訌姶胧?確保結構抗震性能目標的實現(xiàn)。

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(責任編輯馬國鋒)