石楷鋒

(安徽建筑大學 土木工程學院, 安徽 合肥 230022)

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某帶轉換層和錯層的高層建筑結構的抗震性能分析

石楷鋒

(安徽建筑大學 土木工程學院, 安徽 合肥 230022)

以某帶局部轉換層和錯層的高層剪力墻結構為例，采用結構設計軟件PKPM進行建模和分析，對結構整體抗震性能進行評估。結果表明：結構具有良好的承載力和屈服機制，滿足預期的抗震性能目標,可供同類工程參考。

高層剪力墻；錯層；轉換層；抗震性能

0 引 言

復雜高層建筑結構一般指帶轉換層的結構、帶加強層的結構、錯層結構、連體結構以及豎向形體收進、懸挑結構[1]。錯層結構由于樓板不連續(xù)易形成薄弱部位，且錯層處易形成短構件，對結構抗震不利[2]。轉換層的存在會造成結構在轉換部位剛度突變，在地震作用下易產生應力集中現象，而轉換構件是整體結構的關鍵構件，一旦破壞就會發(fā)生連續(xù)倒塌[3]。文獻[1,4]對復雜高層和不規(guī)則結構設計計算作出規(guī)定,本工程為局部錯層和帶端部轉換的剪力墻結構，可參照相關規(guī)范進行結構設計。

1 工程概況

某小區(qū)住宅樓采用鋼筋混凝土剪力墻結構[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層，住宅與商業(yè)也存在錯層，住宅4層與商業(yè)3層為同一樓層，結構框支轉換設于此層。結構平面圖和剖面圖[6]如圖1所示。本工程為丙類建筑，抗震等級為二級，錯層處和底部加強部位剪力墻抗震等級為一級，設防烈度為7度(0.10g),設計地震分組為一組，場地類別為二類。

圖1 2層結構平面布置和剖面圖

1.1 結構的不規(guī)則性

本項目為特別不規(guī)則結構，屬于超限高層建筑工程，該工程同時具有3項不規(guī)則情況：① 扭轉不規(guī)則類型。規(guī)范要求偶然偏心的扭轉位移比不宜大于1.2，不應大于1.4。分析結果有Y向1.31位移，判斷為不規(guī)則。② 樓板不連續(xù)類型。規(guī)范要求有效寬度小于50%，開洞面積大于30%，錯層大于梁高。分析結果有商業(yè)與住宅之間存在錯層，判斷為不規(guī)則。③ 構件間斷類型。規(guī)范要求上下墻、柱、支撐不連續(xù)，含加強層、連體類。分析結果有商業(yè)3層存在轉換，判斷為不規(guī)則。

1.2 抗震性能目標

本工程為A級高度，存在3項以上不規(guī)則項，擬建場地地基土工程性質較好，屬于對建筑抗震一般地段。綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構本身特點、建造費用和修復難易程度等因素，根據文獻[1]對抗震性能目標的劃分，本住宅樓樓建筑抗震性能目標定為D級，具體控制指標見表1所列。

表1 抗震性能目標

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結構分析程序進行計算，計算模型中定義豎向和水平荷載工況。豎向工況包括結構自重、附加恒荷載以及活荷載，水平荷載工況包括地震作用和風荷載。對于小震的水平地震，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，采用振型分解反應譜法，主要計算結果見表2所列。

表2 主要計算結果

由表2結果可知，結構位移比小于規(guī)范限值1.4，周期比為0.68，小于規(guī)范限值0.9；結構最大層間位移角小于規(guī)范限值1/1 000；轉換層與層剛度比大于規(guī)范限值0.7，轉換層下層與上層剛度比大于規(guī)范限值0.9。各計算結果均滿足規(guī)范要求，說明結構設計合理，能達到預期的小震不壞抗震性能目標[6]。

2.2 設防烈度地震作用分析

根據設防烈度地震作用下的抗震性能目標要求，對其進行中震彈性、中震不屈服判別分析，以判別結構在中震作用下的抗震性能。

設計時通過Satwe程序，分析中震作用下結構的抗震性能，計算模型的主要輸入參數見表3所列。

表3 主要輸入參數

表3結果表明，中震彈性作用下，結構基本處于彈性階段；中震不屈服作用下，大部分框架梁未出現抗彎承載力屈服，框架梁未出現抗剪承載力屈服，框支梁、柱、剪力墻抗彎、抗剪性能均滿足中震性能目標要求。

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，對結構進行罕遇地震下的靜力彈塑性分析。檢驗結構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足小于1/120，并找出結構薄弱部位，判斷罕遇地震作用下結構的抗倒塌能力，了解結構塑性鉸的形成規(guī)律，針對性地優(yōu)化結構布置。程序中給出混凝土本構關系模型，在混凝土受壓應力應變全曲線的上升段采用Saenz曲線，下降段采用直線[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，對結構的X、Y向進行推覆分析，其中側向位移限值取結構高度的1/20,桿件鉸截面剛度破壞程度指數和墻均為0.7，樓板考慮為梁翼緣的相對寬度取6倍翼緣高度，選用計算配筋，超配系數為1.15，得到結構2個方向的抗震性能評估結果。

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

圖2 結構罕遇地震作用下的Pushover曲線

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

自定義加載模式沿2個方向作用下罕遇地震性能點的結構最大層間位移角，X向結構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向頂點位移分別為256.3 mm、319.4 mm，實際得到性能點時結構頂點位移均不大，反映結構具有合適的剛度，滿足性能目標設定要求，完全滿足大震不倒的設防要求。

(2) 結構構件抗震性能。Pushover推覆結果顯示結構2個方向中間一些樓層的連梁率先出現塑性鉸，進入彎曲屈服狀態(tài)，之后向結構頂部、底部發(fā)展。隨著加載步的增加，剪力墻的連梁普遍進入屈服狀態(tài)，作為耗能構件的部分框梁也進入屈服狀態(tài)，且框梁普遍晚于連梁進入屈服狀態(tài)，表明結構具有良好的耗能體系。圖3所示為性能點時錯層處樓層塑性鉸分布圖，性能點時，結構部分墻肢出現拉應力水平裂縫，裂縫至5層止，個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復核后，均能滿足受剪不屈服要求，不會出現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)，表明結構具有很好的延性和足夠的安全儲備。

圖3 性能點時錯層處樓層塑性鉸分布圖[8]

3 抗震加強措施

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

(2) 位于3層轉換范圍相鄰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) 所有轉換梁箍筋采用通長加密配置，框支轉換梁上一層剪力墻水平筋和邊緣構件應特別加強。

(4) 嚴格控制作為主要抗側力構件剪力墻和框架柱的軸壓比，尤其轉換柱軸壓比與配筋應嚴格控制。

4 結 論

(1) 在多遇地震作用及風荷載作用下，結構構件處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿足現行規(guī)范要求，能夠滿足小震不壞[10]的設防目標和抗震性能水準1。

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

(3) 在罕遇地震作用下，結構彈塑性層間位移角均滿足規(guī)范限值要求，結構主要抗側力構件沒有發(fā)生嚴重破壞，可滿足大震不倒的設防目標和抗震水準5。

[1] JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[2] 沈蒲生.高層錯層結構受力性能研究[D].長沙：湖南大學，2008.

[3] 武洋洋.帶梁式轉換層的高層建筑抗震性能分析及工程設計[D].西安：西安建筑科技大學, 2013.

[4] GB 50011-2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].

[5] GB 50010-2010，混凝土結構設計規(guī)范[S].

[6] 林寶新，陳 明，許加義.基于MIDAS的某帶端部轉換剪力墻結構的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2015，38(6):822～827.

[7] 李 躍，林寶新，陳 明.某帶錯層高層剪力墻結構的抗震性能分析[J].安徽建筑大學學報(自然科學版)，2015,23(2)：68～77.

[8] 汪大綏.靜力彈塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和計算實例[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構的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2013，36(6)：727～732.[10] 林寶新，路 斌.某穿層柱框架結構的抗震性能分析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，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，安徽建筑大學碩士生．

TU375

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1673-5781(2016)03-0365-04