帶連廊高層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計

張 昱

(太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

1 帶連廊剪力墻住宅的結(jié)構(gòu)布置

連廊式住宅由于其南北通透、戶型方正的優(yōu)勢，已成為建筑設(shè)計市場的主流產(chǎn)品。帶連廊剪力墻住宅結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)為，通過連廊將各結(jié)構(gòu)單元連接起來，連廊寬度一般較窄，內(nèi)設(shè)天井。結(jié)構(gòu)平面示意如圖1所示。

如圖1所示，設(shè)置2 m寬的連廊，將左右結(jié)構(gòu)單元聯(lián)系起來，井位置為樓板開洞，連廊成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位。在地震作用下，連廊一旦發(fā)生破壞，將改變整個結(jié)構(gòu)的抗震性能，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可估量的影響。為了研究連廊在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，需對連廊部位進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 連廊部位的彈性方法

2.1 小震彈性分析

目前通用的抗震設(shè)計方法為小震彈性分析。一般采用振型分解反應(yīng)譜法(同主樓一起計算)，可得到連廊兩側(cè)的梁配筋。設(shè)計時連廊板相對加強(qiáng)，一般取板厚150 mm，配筋可按板厚的最小配筋率設(shè)置。此設(shè)計方法并未考慮到地震作用時兩側(cè)結(jié)構(gòu)單元各自的地震響應(yīng)而產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)。

2.2 中震彈性設(shè)計

針對某些超限的帶連廊結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計時會進(jìn)行中震補(bǔ)充計算。仍采用振型分解反應(yīng)譜法，只是將地震作用的加速度峰值提高至中震水平(約小震的2.85倍)，將連廊板設(shè)為彈性板進(jìn)行有限元計算。可得到中震作用下板的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，根據(jù)混凝土的拉應(yīng)力判斷樓板的開裂情況。

3 動力彈塑性時程分析方法

對超限結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性階段的抗震分析。一般采用時程分析方法將地震波直接作用于結(jié)構(gòu)，可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用下從靜止到結(jié)構(gòu)達(dá)到最大變形的最終狀態(tài)的全過程，能夠反映結(jié)構(gòu)各構(gòu)件每一時刻的地震反應(yīng)。進(jìn)行大震下彈塑性分析時可準(zhǔn)確模擬梁、柱、支撐、剪力墻及樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性性能，直觀得到結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在彈塑性階段的地震響應(yīng)及損失情況。

該方法未作任何理論的簡化，直接模擬結(jié)構(gòu)在地震力作用下的非線性反應(yīng)，是目前結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析領(lǐng)域較為完善的方法，其特點(diǎn)如下所示：

1)動力時程特性：直接將地震波輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，可以較好地反映在不同工況下構(gòu)件的內(nèi)力分布；

2)幾何非線性：結(jié)構(gòu)的動力平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)上，“P—Δ”效應(yīng)，非線性屈曲效應(yīng)，大變形效應(yīng)等都被精確考慮；

3)材料非線性：直接在材料應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系水平上模擬；

4)動力方程積分方法：采用顯式積分，可以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的破壞情況直至倒塌形態(tài)。

4 工程實(shí)例

某公寓樓，地下3層，地上48層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.2 m，總高度為153.9 m。地震烈度為8度(0.2g)，地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。結(jié)構(gòu)整體分析顯示層間位移角在20層～30層區(qū)間較大。結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示。

4.1 連廊處結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)建筑布置要求，連廊處寬度取2 m，兩側(cè)梁截面為250×780，配筋率取0.6%；板厚取150 mm,配筋率取0.25%。

4.2 計算分析結(jié)果

1) 用PKPM-SATWE及MIDAS-BUILDING軟件分別對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震及中震分析，在給定上述截面及配筋率情況下均可滿足承載力及正常使用要求。

2) 用動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下動力彈塑性分析。地震加速度時程分別取400 cm/s2(X向)；340 cm/s2(Y向)；260 cm/s2(Z向)。結(jié)構(gòu)下部、中部、上部各樓層連廊處板剛度損傷及鋼筋應(yīng)變情況如下。

如圖2～圖7所示，采用時程分析方法進(jìn)行大震彈塑性驗算，樓板剛度損傷及鋼筋應(yīng)變均在20層處較大，與層間位移角大小的樓層分布結(jié)果一致。在位移角較大樓層，連廊處樓板單元損傷較其他樓層嚴(yán)重，樓板剛度退化嚴(yán)重，與主體連接處樓板鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變。而在下部及上部樓層樓板鋼筋應(yīng)變較低，僅為屈服應(yīng)變的10%～20%，連廊處樓板單元損傷不大，基本為輕度損傷。因此，在結(jié)構(gòu)中部樓層區(qū)域(位移角較大樓層)，連廊部位結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較大，需采取加強(qiáng)措施，保證連廊部位的有效連接，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)。

5 結(jié)論及設(shè)計建議

1)帶連廊高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮連廊處薄弱部位。

2)當(dāng)高層剪力墻住宅采用帶連廊戶型時，特別是存在結(jié)構(gòu)超限的情況，不應(yīng)只進(jìn)行小震彈性設(shè)計，應(yīng)對結(jié)構(gòu)位移角較大樓層區(qū)域連廊樓板進(jìn)行中震或大震下的性能分析，對薄弱部位需特別加強(qiáng)。

3)加強(qiáng)連廊處的抗震構(gòu)造措施，采用加大板厚、提高配筋率等方式加強(qiáng)連廊與主體的連接。連廊兩側(cè)的梁需上下通長配筋，且應(yīng)按照受拉構(gòu)件補(bǔ)充計算配筋。

4)為加強(qiáng)連接，連廊與主體結(jié)構(gòu)交接位置宜設(shè)置剪力墻扶壁柱。

帶連廊的高層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析設(shè)計時，連廊部位為整體結(jié)構(gòu)的薄弱部位，需著重分析與考慮。在某些超高、超限建筑結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)充分考慮中震、大震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及抗震性能；設(shè)計時應(yīng)加強(qiáng)其抗震措施，加強(qiáng)該部位與主體的連接。