帶高位轉換層的框支剪力墻結構彈塑性地震反應探析

楊成明

（安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

帶高位轉換層的框支剪力墻結構建筑的特點是下層基礎較弱，因此，對于建筑抗震性能的實現(xiàn)會產(chǎn)生一定的影響。相對于普通框架剪力墻高層建筑來說，帶高位轉換層的結構在地震反應方面的研究還不完善。隨著人們對建筑物的需求越來越多元化，帶高位轉換層的框支剪力墻結構建筑項目會逐漸增多，為確保建筑性能及安全，完善其彈塑性地震反應研究非常必要。

1 工程案例背景簡介

某商住兩用高層建筑項目標高95.2 m，分為地上32層、地下2層，總建筑面積為28 621.7 m2，該項目設計防裂度為7度、Ⅰ組，設計基本加速度為0.1 g，建筑承受基本風壓為0.35 kN/m2。該項目為典型的帶高位轉換層框支剪力墻結構，其中地面以上4層為傳統(tǒng)的框架剪力墻結構，另28層為剪力墻結構，4層樓面為梁式轉換層，對上層建筑體提供支持。在設計過程中，盡量減少復雜的轉換工序，但最終方案中依然包括3次梁轉換，除此之外，其他部分的剪力墻均直接落于梁結構上。總的來說，該工程結構中的梁轉換次數(shù)較多，但轉換的跨度有限，并存在次梁轉換和同一柱結構上存在雙轉換梁的問題。其中，主梁和次梁的轉換跨度的最大值分別在8.2 m和5.5 m。

該工程選擇提高下3層框架剪力墻的厚度，并確保每層的剛心和質心重合。 由于建筑電梯間所處位置墻體密度較大、 剛度有所保證，因此無須進行墻體加厚處理。其他部分墻體厚度在350～400 mm。為了讓轉換層部分性能的過渡更加流暢，選擇將第4～7層結構的墻體也進行加厚處理。其中第4、5層的剪力墻厚度依照結構位置設計為200、250、350 mm不等；第6層剪力墻設計為200 mm和250 mm；第7層為200 mm。加大框支柱的橫截面積，增加后柱截面的寬度在900～1 000 mm，承受雙轉換梁的柱截面積最高為1 000 mm×3 200 mm。雖然該設計方法會在一定程度上影響建筑整體美觀性，但為確保建筑性能必須如此。用于承托支轉換梁的柱截面積在500 mm×1 800 mm、500 mm×2 000 mm、5 000 mm×2 200 mm不等。位于轉換層的樓板厚度設計為180 mm，以確保其荷載能力。

2 帶高位轉換層的框支剪力墻結構設計

2.1 整體結構分析

發(fā)生較強地震時，抗震性表現(xiàn)最薄弱的是與轉換層相連接的框支剪力墻銜接層，沿樓層變化的抗側剛度是導致地震中建筑出現(xiàn)局部破損的主要原因。在計算時，需將轉換層當作主體結構的一部分，使用相應的計算模型，對三維結構進行計算和分析。該項目使用的計算程序為MDAS和STAWE，計算過程中涉及的參數(shù)包括：結構重要程度=1、振型=36、活荷載折減系數(shù)=0.5、阻尼比=0.05、地震修正系數(shù)=1、周期折減系數(shù)=0.8，其中振型貢獻率的計算方法為CQC，并使用SRSS法計算雙向地震扭轉組合。最終得出主要彈性的具體數(shù)據(jù)，并與行業(yè)相關標準相對比 （行業(yè)要求轉換層上下銜接部分的剛度應盡量相同，且兩部分的剛度比應≤1.3，轉換層的側向剛度至少為與其連接的上部樓層的60%），發(fā)現(xiàn)方案中的各項彈性數(shù)據(jù)均符合標準要求。再就兩種計算程序得出的結論相對比，結果大致相同，因此可以判定，對帶高位轉換層的框支剪力墻結構建筑的空間性能進行分析，其結果可真實反映結構受內(nèi)力和形變狀況。

2.2 高位轉換層分析

轉換層之下采用框支剪力墻結構，轉換層之下的層數(shù)越多，其高度越大，在受外力時，發(fā)生的剛度突變就越明顯，內(nèi)力在樓層間傳遞途徑的波動程度和位移角變動也會更為劇烈。這一特點會導致轉換層的剛度小于上層結構，使得轉換層變?yōu)椤翱拐鸨∪鯇印保瑢е陆ㄖ拐鹪O計無法很好地與下層框支剪力墻結構相適應[1]。因此在工程設計階段，要盡量減少轉換層上下兩部分間的測量剛度突變程度，保證建筑整體的抗震性、抗風壓性達到相關要求。

在本案例中，使用以下方法對框支剪力墻結構的內(nèi)力情況進行研究：使用單位空間法分析整體結構的內(nèi)力，并得出各部分構件的內(nèi)力情況和配筋情況；分析轉換梁周圍樓層的平面有限元，獲取詳細信息，得出配筋情況，該過程的分析對象為位于底層框架和框支層以上的墻體部分，共計4層；每300 mm劃分有限單元；將增大系數(shù)設為1.2。在對結構內(nèi)力進行分析之后，結合設計要求做出以下處理：

第一，框架的抗震等級為特一級，軸壓比控制在0.5之內(nèi)，對軸壓比大于0.5框支柱，在其中芯加設縱向鋼筋，并要求縱向鋼筋的界面截面大于柱截面的1%，適當增加配箍率，以確保框支柱能夠提供足夠的抗變形能力。第二，框支梁承受的荷載主要來自剪力，小墻肢的應力集中非常嚴重，導致與小墻肢安裝邊門洞相結合的框支梁受到過高的應力。當出現(xiàn)水平荷載時，這部分框支梁的彎矩和剪力會達到普通框支梁的3倍左右。為處理這一問題，選擇提高小墻肢和與邊門洞相連框支梁結構的設計荷載，并提高箍筋的配置密度。第三，將框支柱的配筋率控制在1.5%～2.0%，框支梁的配筋率以1%為最佳，確保上下部位的縱筋相同。在框支梁中加設抗收縮及溫度應力的鋼筋。第四，為提高轉換層之下結構的延展性，選擇三級鋼筋作框支柱、框支梁等主要結構，選擇機械焊接的方式進行縱向連接。框支梁節(jié)點處的鋼筋分布較密，為給施工作業(yè)提供便利，可選擇使用直徑較大、強度較高的鋼筋。做好混凝土振搗工作。第五，在框支層，使用鋼纖維混凝土制作墻結構和柱結構，每立方混凝土中添加75 kg鋼纖維，結構的抗拉性能可提高40%左右，抗剪性能可提高50%。在實際施工中，將鋼纖維混凝土與一般混凝土混合使用，還可用于結構加固，無須使用其他加固措施[2]。本項目地下2層結構中，剪力墻使用較多，抗震性能可靠，因此無須再使用鋼纖維混凝土。

3 帶高位轉換層的框支剪力墻結構彈塑性地震反應

本工程結構設計復雜性較高，選用MDSS程序對結構彈塑性靜力進行分析。研究在7級地震下，結構的薄弱位置。以基本振型進行側向加載，先對由重力產(chǎn)生的荷載進行非線性分析，再逐漸增加荷載，分析結構的彈塑性。

3.1 檢測過程

結構的第一振型在X方向，第二振型在Y方向，分別使用模態(tài)1和2對X、Y向進行加載，得出推覆曲線[3]。該曲線展示了過程中，結構X向和Y向頂點位移情況。如圖1所示，當0≤H≤1 000時，兩個方向頂點位移曲線基本為直線，之后略微向下傾斜，并出現(xiàn)第一批塑性鉸。隨著H的增加，曲線的下降趨勢更加明顯，彈塑性增強。X向的頂點處于H=1/120時，推覆曲線開始遞減。但此時，Y向的曲線依然為上升狀態(tài)。由此可以看出，結構的抗側推性能相對穩(wěn)定，當頂點的位置達到H=1/100時，曲線開始下降。

圖1 剪力-頂點位移曲線

再對需求普與能力譜之間的關系進行分析，從X向和Y向的推覆曲線推導出結構下部剪力與位移之間的關系曲線，并將其轉換為地震反應普，將兩曲線呈現(xiàn)于同一坐標軸當中。計算性能點。在X方向，性能點為Sa=0.061，Sd=320。在T方向，性能點為Sa=0.063，Sd=217。X向和Y向的能力普分別相交于7級地震需求普曲線，說明結構的抗震性能達到設計要求，建筑能夠承受7級地震的侵襲，且結構的延性較佳。在推覆曲線中找到X向和Y向性能點相對應的點，得到X向：V=18 166 kN、D=446 mm；Y向：V=17 476 kN、D=320 mm。即X向的最大層間位移角在12層，最大彈塑性層間位移角為1/123，Y向的最大層間位移角在20層，最大彈塑性層間位移角為1/185，兩個方向的最大彈塑性層間位移角均未超過1/120，因此滿足發(fā)生地震時對于位移角的要求。需要關注的是，出現(xiàn)小震和大震時，結構的形變情況存在較大差異，發(fā)生罕遇地震時結構的薄弱部分在中部。

3.2 檢測結果

將對X向和Y向的加載分為四個階段。第一階段，荷載達到輕微地震程度，結構中只有很少的構件出現(xiàn)屈服，但從整體看，推覆曲線依然為直線，結構彈性未受到明顯影響。第二階段，荷載逐漸從輕微地震達到中等級別，兩個方向的連梁和部分框架梁、X向的中層剪力墻和少量未落地的剪力墻、Y向的中層剪力墻出現(xiàn)屈服。整體結構的剛度受到影響，此時推覆曲線出現(xiàn)彎曲。第三階段，荷載上升到罕見地震程度，達到性能點，兩方向水平構件中出現(xiàn)屈服的數(shù)量明顯增加，并從結構的中間部位向上下兩端擴散。其中，X向出現(xiàn)屈服的剪力墻分布比較集中，其他在轉換層之下的豎向構件均未出現(xiàn)屈服。相對于X向，Y向的框架梁、框架柱等構件出現(xiàn)屈服的數(shù)量更多。第四階段，到檢測結束時，結構中大部分水平構件和部分縱向構件已出現(xiàn)屈服。位于轉換層之下的構件屈服主要集中在西北角。

連梁作為結構中的耗能構件，出現(xiàn)塑性變形的程度較大，尤其在結構的中層位置。落地剪力墻是結構的主要承重構件，幾乎未出現(xiàn)變形，依然處于彈性較佳的狀態(tài)。轉換層之下的框支結構剛開始進入變形狀態(tài)，發(fā)生的程度較小。在罕遇地震時，該工程中的部分構件雖然已經(jīng)遭到破壞，但并未出現(xiàn)較大面積的坍塌問題，抗震目標基本可以實現(xiàn)。

4 結語

對高位轉換層框支剪力墻結構進行彈塑性地震反應分析，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)結構中抗震性能薄弱的位置，并加以鞏固和增強。本文針對遭破壞較為嚴重的轉換層下部的框支剪力墻和框架柱進行加固處理。決定提高西北角破壞較嚴重剪力墻的強度，并提高柱的截面積和配筋率，設置更為密集的箍筋。在框架柱部分同樣設置更多箍筋。