石楷鋒

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

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某帶轉(zhuǎn)換層和錯(cuò)層的高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

石楷鋒

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

以某帶局部轉(zhuǎn)換層和錯(cuò)層的高層剪力墻結(jié)構(gòu)為例，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM進(jìn)行建模和分析，對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)具有良好的承載力和屈服機(jī)制，滿(mǎn)足預(yù)期的抗震性能目標(biāo),可供同類(lèi)工程參考。

高層剪力墻；錯(cuò)層；轉(zhuǎn)換層；抗震性能

0 引 言

復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)一般指帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)以及豎向形體收進(jìn)、懸挑結(jié)構(gòu)[1]。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)由于樓板不連續(xù)易形成薄弱部位，且錯(cuò)層處易形成短構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利[2]。轉(zhuǎn)換層的存在會(huì)造成結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換部位剛度突變，在地震作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)換構(gòu)件是整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，一旦破壞就會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌[3]。文獻(xiàn)[1,4]對(duì)復(fù)雜高層和不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算作出規(guī)定,本工程為局部錯(cuò)層和帶端部轉(zhuǎn)換的剪力墻結(jié)構(gòu)，可參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某小區(qū)住宅樓采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)[5]，地下1層，地上34層，建筑總高度為98.6 m。主樓地下室與大地下室存在錯(cuò)層，住宅與商業(yè)也存在錯(cuò)層，住宅4層與商業(yè)3層為同一樓層，結(jié)構(gòu)框支轉(zhuǎn)換設(shè)于此層。結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖[6]如圖1所示。本工程為丙類(lèi)建筑，抗震等級(jí)為二級(jí)，錯(cuò)層處和底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組為一組，場(chǎng)地類(lèi)別為二類(lèi)。

圖1 2層結(jié)構(gòu)平面布置和剖面圖

1.1 結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性

本項(xiàng)目為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，屬于超限高層建筑工程，該工程同時(shí)具有3項(xiàng)不規(guī)則情況：① 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則類(lèi)型。規(guī)范要求偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.4。分析結(jié)果有Y向1.31位移，判斷為不規(guī)則。② 樓板不連續(xù)類(lèi)型。規(guī)范要求有效寬度小于50%，開(kāi)洞面積大于30%，錯(cuò)層大于梁高。分析結(jié)果有商業(yè)與住宅之間存在錯(cuò)層，判斷為不規(guī)則。③ 構(gòu)件間斷類(lèi)型。規(guī)范要求上下墻、柱、支撐不連續(xù)，含加強(qiáng)層、連體類(lèi)。分析結(jié)果有商業(yè)3層存在轉(zhuǎn)換，判斷為不規(guī)則。

1.2 抗震性能目標(biāo)

本工程為A級(jí)高度，存在3項(xiàng)以上不規(guī)則項(xiàng)，擬建場(chǎng)地地基土工程性質(zhì)較好，屬于對(duì)建筑抗震一般地段。綜合考慮抗震設(shè)防類(lèi)別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)、建造費(fèi)用和修復(fù)難易程度等因素，根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)抗震性能目標(biāo)的劃分，本住宅樓樓建筑抗震性能目標(biāo)定為D級(jí)，具體控制指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 抗震性能目標(biāo)

2 不同地震作用分析

2.1 多遇地震作用下的彈性分析

本工程采用Satwe結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型中定義豎向和水平荷載工況。豎向工況包括結(jié)構(gòu)自重、附加恒荷載以及活荷載，水平荷載工況包括地震作用和風(fēng)荷載。對(duì)于小震的水平地震，分別考慮雙向地震以及偶然偏心的影響；考慮不同方向的地震作用，采用振型分解反應(yīng)譜法，主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2 主要計(jì)算結(jié)果

由表2結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)位移比小于規(guī)范限值1.4，周期比為0.68，小于規(guī)范限值0.9；結(jié)構(gòu)最大層間位移角小于規(guī)范限值1/1 000；轉(zhuǎn)換層與層剛度比大于規(guī)范限值0.7，轉(zhuǎn)換層下層與上層剛度比大于規(guī)范限值0.9。各計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能達(dá)到預(yù)期的小震不壞抗震性能目標(biāo)[6]。

2.2 設(shè)防烈度地震作用分析

根據(jù)設(shè)防烈度地震作用下的抗震性能目標(biāo)要求，對(duì)其進(jìn)行中震彈性、中震不屈服判別分析，以判別結(jié)構(gòu)在中震作用下的抗震性能。

設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)Satwe程序，分析中震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能，計(jì)算模型的主要輸入?yún)?shù)見(jiàn)表3所列。

表3 主要輸入?yún)?shù)

表3結(jié)果表明，中震彈性作用下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段；中震不屈服作用下，大部分框架梁未出現(xiàn)抗彎承載力屈服，框架梁未出現(xiàn)抗剪承載力屈服，框支梁、柱、剪力墻抗彎、抗剪性能均滿(mǎn)足中震性能目標(biāo)要求。

2.3 罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

本工程屬不規(guī)則超限高層，采用PKPM系列軟件PUSH，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的靜力彈塑性分析。檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性變形，控制層間彈塑性位移是否滿(mǎn)足小于1/120，并找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，判斷罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，了解結(jié)構(gòu)塑性鉸的形成規(guī)律，針對(duì)性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。程序中給出混凝土本構(gòu)關(guān)系模型，在混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€(xiàn)的上升段采用Saenz曲線(xiàn)，下降段采用直線(xiàn)[7]。梁、柱采用纖維束空間桿單元，剪力墻采用彈塑性墻元[7]。

靜力彈塑性分析初始荷載選用重力荷載代表值，水平加載模式選擇振型加載模式，并以推覆方向的第一振型作為荷載工況，對(duì)結(jié)構(gòu)的X、Y向進(jìn)行推覆分析，其中側(cè)向位移限值取結(jié)構(gòu)高度的1/20,桿件鉸截面剛度破壞程度指數(shù)和墻均為0.7，樓板考慮為梁翼緣的相對(duì)寬度取6倍翼緣高度，選用計(jì)算配筋，超配系數(shù)為1.15，得到結(jié)構(gòu)2個(gè)方向的抗震性能評(píng)估結(jié)果。

(1) 結(jié)構(gòu)整體抗震性能。采用美國(guó)規(guī)范《ATC-40》中關(guān)于性能點(diǎn)的確定方法，迭代求解結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的位置，所采用的初始需求譜為我國(guó)抗震規(guī)范中的彈性反應(yīng)譜。圖2所示為2種加載方式沿X向、Y向正向和反向輸入時(shí)，結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的Pushover曲線(xiàn)。圖2中，曲線(xiàn)1為加速度需求譜曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為周期、加速度曲線(xiàn)(能力曲線(xiàn))，曲線(xiàn)3為周期、最大層間位移角曲線(xiàn)。

圖2 結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下的Pushover曲線(xiàn)

由圖2可知，能力譜曲線(xiàn)較為平滑，位移與基底剪力基本呈線(xiàn)性遞增；曲線(xiàn)在設(shè)定位移范圍內(nèi)未出現(xiàn)下降段，表明在抗倒塌能力上有較大余地[8]。

自定義加載模式沿2個(gè)方向作用下罕遇地震性能點(diǎn)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角，X向結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/296，Y方向的最大層間位移角為1/265，均小于規(guī)范限值1/120。X向、Y向頂點(diǎn)位移分別為256.3 mm、319.4 mm，實(shí)際得到性能點(diǎn)時(shí)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移均不大，反映結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿(mǎn)足性能目標(biāo)設(shè)定要求，完全滿(mǎn)足大震不倒的設(shè)防要求。

(2) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能。Pushover推覆結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)2個(gè)方向中間一些樓層的連梁率先出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài)，之后向結(jié)構(gòu)頂部、底部發(fā)展。隨著加載步的增加，剪力墻的連梁普遍進(jìn)入屈服狀態(tài)，作為耗能構(gòu)件的部分框梁也進(jìn)入屈服狀態(tài)，且框梁普遍晚于連梁進(jìn)入屈服狀態(tài)，表明結(jié)構(gòu)具有良好的耗能體系。圖3所示為性能點(diǎn)時(shí)錯(cuò)層處樓層塑性鉸分布圖，性能點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)部分墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力水平裂縫，裂縫至5層止，個(gè)別墻肢的局部部位受剪屈服，但比例極小，受剪截面和抗剪承載力經(jīng)復(fù)核后，均能滿(mǎn)足受剪不屈服要求，不會(huì)出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞[9]?？蛑Я褐簿闯鲢q，處于彈性狀態(tài)，表明結(jié)構(gòu)具有很好的延性和足夠的安全儲(chǔ)備。

圖3 性能點(diǎn)時(shí)錯(cuò)層處樓層塑性鉸分布圖[8]

3 抗震加強(qiáng)措施

(1) 地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固端，采用普通混凝土梁板體系，板厚為250 mm，負(fù)1層豎向構(gòu)件及1層梁板配筋構(gòu)造上適當(dāng)加強(qiáng)，以保證水平力傳遞更加有效。

(2) 位于3層轉(zhuǎn)換范圍相鄰2跨板厚取180 mm，均采用雙層雙向配筋，并提高配筋率至0.25%， 保證水平力傳遞。

(3) 所有轉(zhuǎn)換梁箍筋采用通長(zhǎng)加密配置，框支轉(zhuǎn)換梁上一層剪力墻水平筋和邊緣構(gòu)件應(yīng)特別加強(qiáng)。

(4) 嚴(yán)格控制作為主要抗側(cè)力構(gòu)件剪力墻和框架柱的軸壓比，尤其轉(zhuǎn)換柱軸壓比與配筋應(yīng)嚴(yán)格控制。

4 結(jié) 論

(1) 在多遇地震作用及風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求，能夠滿(mǎn)足小震不壞[10]的設(shè)防目標(biāo)和抗震性能水準(zhǔn)1。

(2) 在設(shè)防烈度地震作用下，底部加強(qiáng)部位剪力墻(與轉(zhuǎn)換柱相連)、轉(zhuǎn)換梁、柱及轉(zhuǎn)換梁上一層剪力墻處于彈性狀態(tài)；非底部加強(qiáng)部位剪力墻未屈服，框架梁、連梁僅有少量出現(xiàn)抗彎屈服，可滿(mǎn)足中震可修的設(shè)防目標(biāo)和抗震性能水準(zhǔn)4。

(3) 在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角均滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重破壞，可滿(mǎn)足大震不倒的設(shè)防目標(biāo)和抗震水準(zhǔn)5。

[1] JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 沈蒲生.高層錯(cuò)層結(jié)構(gòu)受力性能研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2008.

[3] 武洋洋.帶梁式轉(zhuǎn)換層的高層建筑抗震性能分析及工程設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué), 2013.

[4] GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 林寶新，陳 明，許加義.基于MIDAS的某帶端部轉(zhuǎn)換剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，38(6):822～827.

[7] 李 躍，林寶新，陳 明.某帶錯(cuò)層高層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015,23(2)：68～77.

[8] 汪大綏.靜力彈塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和計(jì)算實(shí)例[J].世界地震工程，2004,20(1):45～53.

[9] 林寶新，王 健.合肥某高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，36(6)：727～732.[10] 林寶新，路 斌.某穿層柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，36(5):610～615.

2016-04-11；修改日期：2016-05-03

石楷鋒(1990-)，男，安徽太湖人，安徽建筑大學(xué)碩士生．

TU375

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1673-5781(2016)03-0365-04