某平面不規則高層剪力墻結構抗震性能研究

高猛，程曉杰

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022）

某平面不規則高層剪力墻結構抗震性能研究

高猛，程曉杰

（安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230022）

以某平面不規則高層剪力墻結構工程為研究對象，用SATWE與Midas Building兩款軟件分別建立有限元模型，進行多遇地震下結構整體抗震性能計算，再用Push-over方法分析該工程在罕遇地震作用下的抗震性能，通過計算結構的位移和內力，評估其抗震性能，供同類工程作為參考。

平面不規則；抗震性能；性能點

0 引 言

隨著社會發展，功能多樣化和造型多樣化的建筑不斷涌現。現代高層建筑的高度不斷增加，使用功能也在不斷變化，結構的受力情況越來越復雜，給結構設計者帶來新的挑戰［1］。平面不規則是其中最為常見的型式。本文以一幢平面不規則的超限高層剪力墻結構工程為例，分析結構的不規則情況，設定結構整體與構件抗震性能目標，然后進行多遇地震情況下的結構彈性計算和罕遇地震下的結構彈塑性計算，評估其抗震性能，進而實現該工程的抗震性能目標。

1 工程概況

本工程地處安徽省合肥市，為一幢不規則的高層住宅建筑，剪力墻結構工程。地上部分共有29層，地下室為 1層。建筑主體高度 87m，標準層層高為3.0m，地下室層高為 4.1m。建筑主體平面沿東西向基本對稱，平面上呈現為凸字形。耐火等級為一級，安全等級二級，設計使用年限50年。地震作用與風荷載作用的計算控制參數見表1；結構立體模型圖與標準層模型見圖1。

地震作用計算控制參數 表1

圖1 結構立體模型圖與標準層模型圖

2 結構超限情況

2.1 結構概況

本工程為剪力墻結構，樓蓋采用現澆鋼筋混凝土梁板形式。剪力墻的厚度由《高規》［2］通過控制軸壓比小于0.6計算確定。基礎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。標準層板厚與屋面層板厚均為 120mm。混凝土強度等級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防專項審查技術要點》［3］規定可知，該工程方案同時具有三項不規則的類型，具體內容如下：

①結構標準層在中部凸出的長度與結構在該方向上的平面長度的比值為 7.8/20=0.39＞0.3，可判定為平面凹凸不規則；

②樓板有效寬度在結構標準層的中部為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；

③考慮地震作用偶然偏心的情況時，計算出結構的樓層扭轉位移比超過1.2，可判定為扭轉不規則。

通過上述分析，可判定該工程為超限高層建筑結構。運用三水準兩階段設計方法，并結合抗震性能化方面的要求，該結構選用抗震性能目標為D級［2］，見表3。

各性能水準結構預期的震后性能狀況 表3

3 結構分析計算

3.1 反應譜法分析

用 SATWE軟件對此工程進行分析計算，并與MIDAS Building軟件中結構大師模塊的計算結果進行對比。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。

綜合分析計算數據，具體詳見表4。

計算數據對比 表4

3.2 彈性時程法分析

抗震設計規范規定，對于特別不規則的建筑需要補充多遇地震下結構的彈性時程分析計算。本工程結構選擇一條人工波（RH1TG035），兩條二類場地的天然波（Taft波與TH2TG035波），通過時程分析的方法來研究結構在多遇地震下的動力響應。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。彈性時程分析方法得到的剪力值與反應譜法值的對比見表5。

彈性時程分析和反應譜法內力值 表5

圖2 三條地震波作用下的最大層間位移曲線

由計算結果分析可得：時程分析的結果在數值上都大于規范反應譜方法得到的結果的0.65，所得的底部剪力的平均值也大于規范反應譜法的0.8，所以選擇的地震波是合理且有效的。3條波計算得到的結果與反應譜法的結果基本一致，符合規范中的要求，在具體設計時采用時程分析法的包絡值與反應譜法所得值的較大者。另一方面，結構變形曲線光滑，剛度均勻，未發現明顯的薄弱環節。各地震波在 X、Y 方向的層間位移角最大值為1/1282和1/1848，均位于結構的第8層，滿足《抗規》［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階段結構的反應，逐級加載下結構構件的開裂情況、屈服情況、塑性鉸的形成等結構的破壞行為［5］［6］。首先，塑性鉸最先在結構的梁（連梁）位置發展，在逐漸加大橫向荷載的同時，連梁內出現裂紋，連梁內的塑性鉸變多，整個結構的周期明顯延長，各個樓層的水平位移增加；結構到達性能點時，大多數梁（連梁）發展出更多的塑性鉸，且有部分抗震墻達到屈服狀態階段，然而層間位移角是滿足規范的。以上觀察到的現象表明在罕遇地震下結構的延性機制與截面塑性發展機制是很合理的，結合抗震需求可進一步進行結構的抗震性能評估。

圖3 能力譜需求譜曲線

由圖3可以看到，本結構在兩個方向上的能力譜線與罕遇地震下7度區的需求譜線有交點，其坐標分別為：X方向（2.914，0.098），Y方向（2.363，0099）。交點對應在兩個方向上最大層間位移角：X方向為1/232，Y方向為 1/357，其變形都是滿足《抗規》［4］中小于1/120的要求，他們分別出現在加載過程的33步。所以結構宏觀破壞程度是滿足第5水準要求的，即結構損壞，但不至倒塌。交點處兩個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 論

本工程屬于超限高層建筑結構，存在樓層凹凸不規則，樓板不連續，平面扭轉位移比不滿足規范的要求。通過SATWE和Building兩個程序計算結果的分析得到如下結論。

①運用反應譜法分析，多遇地震作用下兩個程序的模型，結果基本一致，剪重比、位移比、周期比、最大層間位移角等整體指標參數符合規范要求，結構保持彈性，整體結構的受力狀態得到較全面和真實的反映。

②本工程扭轉位移比 1.27超出規范指標，但在分析中能看出結構的扭轉仍在可以控制的范圍，尚未超出規范中扭轉偏大限值1.4。

③通過罕遇地震下Push-over分析，得到該高層剪力墻結構工程的最大層間位移角小于規范中1/120要求，整體結構喪失承載力和整體失穩現象不會發生。

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

［2］JGJ3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［3］建質［2015］67號，超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點［S］.

［4］GB50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［5］葉燎原，潘文，等.結構靜力彈塑性分析（Pushover）的原理和計算實例［J］.建筑結構學報，2000，21（l）：37-51.

［6］韓小雷，季靜.基于性能的超限高層建筑結構抗震設計——理論研究與工程應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2013.

TU352.1+1

1007-7359（2016）02-0194-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.068

住房城鄉建設部科學技術計劃項目（K2012403）。

高猛（1991-），男，安徽蚌埠人，安徽建筑大學土木工程學院在讀碩士，研究方向：工程結構抗震理論與應用。