高猛，程曉杰

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

某平面不規(guī)則高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

高猛，程曉杰

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

以某平面不規(guī)則高層剪力墻結(jié)構(gòu)工程為研究對(duì)象，用SATWE與Midas Building兩款軟件分別建立有限元模型，進(jìn)行多遇地震下結(jié)構(gòu)整體抗震性能計(jì)算，再用Push-over方法分析該工程在罕遇地震作用下的抗震性能，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力，評(píng)估其抗震性能，供同類工程作為參考。

平面不規(guī)則；抗震性能；性能點(diǎn)

0 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展，功能多樣化和造型多樣化的建筑不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代高層建筑的高度不斷增加，使用功能也在不斷變化，結(jié)構(gòu)的受力情況越來越復(fù)雜，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者帶來新的挑戰(zhàn)［1］。平面不規(guī)則是其中最為常見的型式。本文以一幢平面不規(guī)則的超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)工程為例，分析結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況，設(shè)定結(jié)構(gòu)整體與構(gòu)件抗震性能目標(biāo)，然后進(jìn)行多遇地震情況下的結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算和罕遇地震下的結(jié)構(gòu)彈塑性計(jì)算，評(píng)估其抗震性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該工程的抗震性能目標(biāo)。

1 工程概況

本工程地處安徽省合肥市，為一幢不規(guī)則的高層住宅建筑，剪力墻結(jié)構(gòu)工程。地上部分共有29層，地下室為 1層。建筑主體高度 87m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0m，地下室層高為 4.1m。建筑主體平面沿東西向基本對(duì)稱，平面上呈現(xiàn)為凸字形。耐火等級(jí)為一級(jí)，安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。地震作用與風(fēng)荷載作用的計(jì)算控制參數(shù)見表1；結(jié)構(gòu)立體模型圖與標(biāo)準(zhǔn)層模型見圖1。

地震作用計(jì)算控制參數(shù) 表1

圖1 結(jié)構(gòu)立體模型圖與標(biāo)準(zhǔn)層模型圖

2 結(jié)構(gòu)超限情況

2.1 結(jié)構(gòu)概況

本工程為剪力墻結(jié)構(gòu)，樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板形式。剪力墻的厚度由《高規(guī)》［2］通過控制軸壓比小于0.6計(jì)算確定?；A(chǔ)頂面至四層樓面的墻厚度為230mm（局部280mm）；四層樓面至屋面層的墻厚為200mm。梁高分為400mm、500mm、600mm。標(biāo)準(zhǔn)層板厚與屋面層板厚均為 120mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋類別的選用見表2。

混凝土與鋼筋材料表 表2

2.2 工程超限判定

由《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［3］規(guī)定可知，該工程方案同時(shí)具有三項(xiàng)不規(guī)則的類型，具體內(nèi)容如下：

①結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層在中部凸出的長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)在該方向上的平面長(zhǎng)度的比值為 7.8/20=0.39＞0.3，可判定為平面凹凸不規(guī)則；

②樓板有效寬度在結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的中部為8.75m，與樓面寬度的20m的比值為0.43＜0.5，可判定為樓板不連續(xù)；

③考慮地震作用偶然偏心的情況時(shí)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的樓層扭轉(zhuǎn)位移比超過1.2，可判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

通過上述分析，可判定該工程為超限高層建筑結(jié)構(gòu)。運(yùn)用三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合抗震性能化方面的要求，該結(jié)構(gòu)選用抗震性能目標(biāo)為D級(jí)［2］，見表3。

各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況 表3

3 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

3.1 反應(yīng)譜法分析

用 SATWE軟件對(duì)此工程進(jìn)行分析計(jì)算，并與MIDAS Building軟件中結(jié)構(gòu)大師模塊的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。考慮雙向地震作用與偶然偏心情況，樓板采用剛性假定，阻尼比取為0.05，取地下一層頂板為嵌固端。

綜合分析計(jì)算數(shù)據(jù)，具體詳見表4。

計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比 表4

3.2 彈性時(shí)程法分析

抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于特別不規(guī)則的建筑需要補(bǔ)充多遇地震下結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析計(jì)算。本工程結(jié)構(gòu)選擇一條人工波（RH1TG035），兩條二類場(chǎng)地的天然波（Taft波與TH2TG035波），通過時(shí)程分析的方法來研究結(jié)構(gòu)在多遇地震下的動(dòng)力響應(yīng)。取地面最大加速度值為 35cm/s2，按照 1∶0.85雙向地震作用輸入，次方向峰值加速度為35×0.85=29.75 cm/s2。取阻尼比為0.05，特征周期0.35s。彈性時(shí)程分析方法得到的剪力值與反應(yīng)譜法值的對(duì)比見表5。

彈性時(shí)程分析和反應(yīng)譜法內(nèi)力值 表5

圖2 三條地震波作用下的最大層間位移曲線

由計(jì)算結(jié)果分析可得：時(shí)程分析的結(jié)果在數(shù)值上都大于規(guī)范反應(yīng)譜方法得到的結(jié)果的0.65，所得的底部剪力的平均值也大于規(guī)范反應(yīng)譜法的0.8，所以選擇的地震波是合理且有效的。3條波計(jì)算得到的結(jié)果與反應(yīng)譜法的結(jié)果基本一致，符合規(guī)范中的要求，在具體設(shè)計(jì)時(shí)采用時(shí)程分析法的包絡(luò)值與反應(yīng)譜法所得值的較大者。另一方面，結(jié)構(gòu)變形曲線光滑，剛度均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的薄弱環(huán)節(jié)。各地震波在 X、Y 方向的層間位移角最大值為1/1282和1/1848，均位于結(jié)構(gòu)的第8層，滿足《抗規(guī)》［4］中最大層間位移角小于 1/1000的要求。

3.3 Push-over分析

靜力推覆過程可得到各個(gè)階段結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，逐級(jí)加載下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂情況、屈服情況、塑性鉸的形成等結(jié)構(gòu)的破壞行為［5］［6］。首先，塑性鉸最先在結(jié)構(gòu)的梁（連梁）位置發(fā)展，在逐漸加大橫向荷載的同時(shí)，連梁內(nèi)出現(xiàn)裂紋，連梁內(nèi)的塑性鉸變多，整個(gè)結(jié)構(gòu)的周期明顯延長(zhǎng)，各個(gè)樓層的水平位移增加；結(jié)構(gòu)到達(dá)性能點(diǎn)時(shí)，大多數(shù)梁（連梁）發(fā)展出更多的塑性鉸，且有部分抗震墻達(dá)到屈服狀態(tài)階段，然而層間位移角是滿足規(guī)范的。以上觀察到的現(xiàn)象表明在罕遇地震下結(jié)構(gòu)的延性機(jī)制與截面塑性發(fā)展機(jī)制是很合理的，結(jié)合抗震需求可進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估。

圖3 能力譜需求譜曲線

由圖3可以看到，本結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的能力譜線與罕遇地震下7度區(qū)的需求譜線有交點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為：X方向（2.914，0.098），Y方向（2.363，0099）。交點(diǎn)對(duì)應(yīng)在兩個(gè)方向上最大層間位移角：X方向?yàn)?/232，Y方向?yàn)?1/357，其變形都是滿足《抗規(guī)》［4］中小于1/120的要求，他們分別出現(xiàn)在加載過程的33步。所以結(jié)構(gòu)宏觀破壞程度是滿足第5水準(zhǔn)要求的，即結(jié)構(gòu)損壞，但不至倒塌。交點(diǎn)處兩個(gè)方向上的剪力與剪重比分別為：X方向13002.6kN，剪重比10.4；Y方向12876.5kN，剪重比為10.7。

4 結(jié) 論

本工程屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)，存在樓層凹凸不規(guī)則，樓板不連續(xù)，平面扭轉(zhuǎn)位移比不滿足規(guī)范的要求。通過SATWE和Building兩個(gè)程序計(jì)算結(jié)果的分析得到如下結(jié)論。

①運(yùn)用反應(yīng)譜法分析，多遇地震作用下兩個(gè)程序的模型，結(jié)果基本一致，剪重比、位移比、周期比、最大層間位移角等整體指標(biāo)參數(shù)符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)保持彈性，整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)得到較全面和真實(shí)的反映。

②本工程扭轉(zhuǎn)位移比 1.27超出規(guī)范指標(biāo)，但在分析中能看出結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)仍在可以控制的范圍，尚未超出規(guī)范中扭轉(zhuǎn)偏大限值1.4。

③通過罕遇地震下Push-over分析，得到該高層剪力墻結(jié)構(gòu)工程的最大層間位移角小于規(guī)范中1/120要求，整體結(jié)構(gòu)喪失承載力和整體失穩(wěn)現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。

［1］沈俊鵬，程曉杰.某框架-核心筒結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層最佳位置的分析［J］.安徽建筑，2015，22（6）：127-129.

［2］JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］建質(zhì)［2015］67號(hào)，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)［S］.

［4］GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］葉燎原，潘文，等.結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析（Pushover）的原理和計(jì)算實(shí)例［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000，21（l）：37-51.

［6］韓小雷，季靜.基于性能的超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)——理論研究與工程應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

TU352.1+1

1007-7359（2016）02-0194-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.068

住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（K2012403）。

高猛（1991-），男，安徽蚌埠人，安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用。