內置鋼支撐組合剪力墻有限元整體分析研究

戴明明++陶忠++郭春紅

摘要：現階段學者們研究的組合剪力墻在250米以下超高層建筑中的應用具有一定的局限性。本文提出一種更加適合在100米至300米的高層建筑中使用的內置鋼支撐組合剪力墻。本文針對所提出的內置鋼支撐組合剪力墻，結合昆明某一高層剪力墻結構，基于SAP2000對普通剪力墻結構與內置鋼支撐組合剪力墻結構進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。通過對兩種結構的層間位移，層間剪力，底層部分剪力墻的受力狀態以及塑性鉸發展情況做對比分析。結果表明：內置鋼支撐組合剪力墻的剛度，承載能力相比普通剪力墻有較大提高。

Abstract： At present， scholars have studied the application of composite shear walls in super high-rise buildings below 250 meters， which has some limitations. This paper presents a composite steel shear wall with built-in steel support， which is more suitable for high-rise buildings from 100 meters to 300 meters. This paper proposed the composite shear walls with built-in steel support， combined with a high-rise shear wall structure in Kunming， and based on SAP2000， made an elastic-plastic time history analysis on ordinary shear wall structure and composite shear wall structure with built-in steel support under rare earthquake. Through the analysis of the interlayer displacement， the interlaminar shear force， the stress state of the lower part of shear wall and the plastic hinge development of the two kinds of structures， the paper makes a comparative analysis. The results show that the stiffness and carrying capacity of the composite shear wall with built-in steel support are higher than those of the ordinary shear wall.

關鍵詞：超高層；剪力墻；內置鋼支撐剪力墻；SAP2000；罕遇地震

Key words： super high-rise；shear wall；shear wall with built-in steel support；SAP2000；rarely encountered earthquake

中圖分類號：TU973+.16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0128-03

0 引言

本文基于鋼板混凝土組合剪力墻和內藏鋼桁架混凝土組合剪力墻[1-5]提出新型內置鋼支撐組合剪力墻。這種剪力墻具有良好的抗震性能，施工構造簡單，造價經濟，適用于100米至300米的高層建筑，特別是對在高烈度地區的高層建筑的使用，具有重要意義。它的結構包括以下幾個部分：鋼筋混凝土墻體，內置于墻體中的型鋼框架和沿型鋼框架對角線的鋼帶支撐。其構造見圖1。

這種結構具有以下特點：

①鋼框架提高剪力墻的豎向承載力和抗側剛度；

②鋼框架連同剪力墻內的鋼筋網使剪力墻內混凝土處于三相約束狀態，從而獲得更高的承載力；

③斜向支撐鋼帶約束鋼框架的側向變形，獲得更好的側向剛度；

④鋼帶與混凝土無錨固措施，允許鋼帶發生軸向拉壓變形，獲得更好的耗能能力；

⑤鋼框架與鋼帶通過節點板連接，構造簡單，施工難度低。鋼框架之間采用鋼帶連接，可以避免混凝土澆筑的密實型，施工質量容易保證。

本文對提出的新型組合剪力墻使用SAP2000軟件進行模擬。通過有限元進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。對比普通剪力墻和新型內置鋼支撐組合剪力墻兩種結構的層間位移，層間剪力，底層部分剪力墻的受力狀態以及塑性鉸發展情況，了解抗震性能。

1 基于SAP2000的剪力墻高層住宅模型建立

本文所分析工程位于云南省昆明市為剪力墻結構。結構層數為地上25層，地下一層，地震烈度為8度，抗震設計基本地震加速度值為0.2g，場地特征周期為0.45s，場地類別為二類。

原工程由PKPM設計軟件完成，使用盈建科軟件將原PKPM模型轉換為SAP2000的.S2K文件，進而使用SAP2000進行模型的后期修改。轉換后的模型包含結構的荷載信息，部分配筋信息以及與原模型一致的墻，梁的布置。組合剪力墻布置的樓層為底部加強層1至4層，對稱布置在結構外圍。SAP2000普通剪力墻結構與內置鋼支撐組合剪力墻整體結構模型見郭春紅畢業論文[6]。

經反復對模型進行修改，剪力墻整體結構的STAWE模型與轉換后的SAP2000模型質量差值，結構自振的前三階周期以及反應譜法計算的層間剪力差值均滿足模型轉化的要求，可以進行SAP2000模型的分析。

其中SAP2000普通剪力墻結構模型與原PKPM模型信息對比如表1-表3所示。

2 內置鋼支撐組合剪力墻高層建筑的整體動力分析項目

我國抗震設計規范要求采用二階段三水準的設計方法[7]。第一階段設計是承載力和使用狀態下的變形驗算。取多遇地震時的眾值烈度。此時建筑處于使用狀態，視建筑為彈性體系，采用反應譜理論計算地震作用。用彈性方法計算內力和位移，進行荷載效應組合。然后按極限狀態方法設計構件，滿足規范對中震設防烈度的響應要求。第二階段設計是彈塑性變形驗算。對特殊重要的建筑、地震時易倒塌的結構以及有明顯薄弱層的不規則結構，除進行第一階段設計外，還要進行罕遇地震作用下結構薄弱部位的彈塑性層間變形驗算（包括時程分析法的補充計算），并采用相應的抗震構造措施，實現第三水準大震不倒的設防要求[7-8]。

因原設計的普通剪力墻結構在多遇地震下的承載能力已經滿足要求，本文重點在獲得一種相對簡便的內置鋼支撐組合剪力墻彈塑性分析的方法，并初步了解內置鋼支撐組合剪力墻在整體結構中的作用。故本文只對普通剪力墻高層建筑結構和內置鋼支撐組合剪力墻高層建筑進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。對比普通剪力墻結構和內置鋼支撐組提出的內置鋼支撐組合剪力墻結構的分析結果。罕遇地震作用下的彈塑性分析選擇EL CENTR NS波，其波形圖如圖2所示。地震加速度按《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）規定的時程分析所用地震加速度時程的最大值在SAP2000中進行地震最大加速度的設置，分析所用地震加速度時程的最大值見表4。根據本工程的抗震基本信息，最大地震加速度值按400cm/s2計算。SAP2000時程分析計算法為非線性直接積分法[9]。

3 內置鋼支撐組合剪力墻高層建筑罕遇地震彈塑性分析結果

經SAP2000對普通剪力墻和內置鋼支撐組合剪力墻整體模型的非線性時程分析，本節主要對剪力墻結構的層間位移，底層部分剪力墻的受力狀態以及塑性鉸發展情況做對比分析。

3.1 普通剪力墻與內置鋼支撐組合剪力墻整體模型層間位移對比

通過在SAP2000中定義廣義位移可以直接提取結構的層間位移位移分析得出內置鋼支撐組合剪力墻的存在有效地降低了剪力底部加強部位的層間位移，但X方向5至10層的層間位移依舊比較大。Y方向結構底部加強部位層間位移較大，但內置鋼支撐組合剪力墻結構的位移明顯小于普通剪力墻結構，相比普通剪力墻結構X方向降低了9.5%，Y方向降低了24.4%。這表明內置鋼支撐組合剪力墻顯著提高了底部加強部位的抗側剛度，對減輕地震作用下結構的反應效果較好。

3.2 普通剪力墻與內置鋼支撐組合剪力墻整體模型底部墻體受力分析

根據EL CONTR NS波最大加速度對應時刻提取底層剪力墻X方向和Y方向的應力進行分析得出內置鋼支撐組合剪力墻結構由于具有較大的剛度，在地震作用時所分擔的剪力也較大。因此組合剪力墻的應力明顯大于普通剪力墻。剪力墻的應力對比也說明內置鋼支撐組合剪力墻的使用改變了整體結構的受力分配，結合前面對位移的對比分析，可以看出具有更高剛度的內置鋼支撐組合剪力墻在地震作用下分擔了更多的作用力，較高的剛度和承載力有效地降低了結構底部的層間位移。這對整體結構受力是有利的。

3.3 普通剪力墻與內置鋼支撐組合剪力墻整體模型塑性鉸發展情況分析

通過非線性時程分提取在地震加速度最大時刻剪力墻結構中塑性鉸的發展狀況，分析內置鋼支撐組合剪力墻對梁受力的影響。塑性鉸主要出現在結構底部1至6層，且塑性鉸的發展處于第一階段即立即使用階段。這表明結構底部1至6層雖然進入塑性階段但其塑性程度還沒有威脅到結構的安全。普通剪力墻與內置鋼支撐組合剪力墻塑性鉸出現的層數并無差別。

為了進一步了解組合剪力墻對梁塑性發展產生的影響，單獨取出結構底層分析從塑性鉸的發展情況可以看出，在X向地震作用下，普通剪力墻結構部分梁端出現塑性鉸，但與內置鋼支撐組合剪力墻結構相比，其塑性鉸數量較多，除了結構中部出現塑性鉸，靠近結構外圍的梁上也出現了塑性鉸，而組合剪力墻結構由于外圍布置有內置鋼支撐組合剪力墻，其外圍并沒有出現塑性鉸，這表明內置鋼支撐組合剪力墻的存在提高了結構的剛度，減小了結構的層間位移。在Y向地震作用下，由于該結構Y方向剛度較小，兩種結構在該方向的地震作用下，出現的塑性鉸明顯多于X方向，但相比普通剪力墻結構，組合剪力墻結構中塑性鉸較少，這一現象表明，內置鋼支撐組合剪力墻提高了Y方向的剛度，較少的塑性鉸同樣位于布置有內置鋼支撐組合剪力墻的結構外圍。

4 小結

本文基于SAP2000對普通剪力墻結構與內置鋼支撐組合剪力墻結構進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，通過對兩種結構的層間位移，層間剪力，底層部分剪力墻的受力狀態以及塑性鉸發展情況做對比分析。我們可以得出內置鋼支撐的存在顯著提高了底部加強部位的抗側剛度，有效降低加強層的層間位移。同時內置鋼支撐組合剪力墻的使用改變了整體結構的受力分配，分擔了混凝土墻體的受力，有效地分擔了梁的受力，增加了結構的整體剛度和承載力，減少了結構在罕遇地震下底部加強部位受到的損傷，改善了結構的抗震性能。

參考文獻：

[1]陳國棟，郭彥林.鋼板剪力墻低周反復荷載試驗研究[J].建筑結構學報，2004，25（2）：19-26，38.

[2]李然，郭蘭慧.鋼板剪力墻滯回性能分析與簡化模型[J].天津大學學報，2010，43（10）：919-927.

[3]曹萬林，王敏，王紹合，等.高軸壓比下鋼管混凝土邊框組合剪力墻抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2008，28（1）：85-90.

[4]Qiuhong Z.Experimental and analytical studies of cyclic behavior of steel and composite shear wall systems[D]Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy.University of California，Berkeley，2006.

[5]Zhou Ying，Lu Xi-lin，Huang Zhi-hua，et a1.Seismic behavior of composite shear walls with multi-embedded steel sections[J].Structural Design of Tall and Special Buildings，2010，19（6）：637-655.

[6]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7]吳素靜.Pushover分析及時程分析在實際結構工程中的應用與研究[D].西安建筑科技大學，2004.

[8]周秀月.鋼結構交錯桁架體系的合理結構布置探討與Push-over分析[D].西安建筑科技大學，2005.

[9]R.克拉夫，J.彭津.結構動力學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[10]基于有限元軟件的內置鋼支撐組合剪力墻性能分析及整體結構分析方法研究[D].昆明理工大學碩士論文，2015.