某不規(guī)則少墻框架結(jié)構(gòu)中剪力墻抗震性能分析與建議

于 恒 兵

(中煤科工重慶設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，重慶 400016)

1 工程概況

本工程位于重慶市云陽縣北部新區(qū)迎賓大道，建筑效果見圖1。項(xiàng)目由2棟22層塔樓、1棟5層裙房、2層地下車庫組成，最大建筑高度99 m，總建筑面積約12.2萬m2。設(shè)計(jì)合理使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為丙類。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，地震分組為第一組。場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s。基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度B類。

2 結(jié)構(gòu)布置

裙房地下2層、地上5層，建筑高度23 m，最大平面尺寸117.7 m×45.4 m，標(biāo)準(zhǔn)柱距8.4 m。塔樓及裙房結(jié)構(gòu)嵌固于地下室頂板，嵌固層以上塔樓與裙房間設(shè)150 mm抗震縫。裙房擬采用框架結(jié)構(gòu)，經(jīng)結(jié)構(gòu)試算，裙房結(jié)構(gòu)單元扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯[1]。擬在結(jié)構(gòu)平面東北、西北角設(shè)置厚250 mm、長5.2 m的剪力墻，墻端柱600 mm×600 mm，以增大結(jié)構(gòu)平面抗扭能力，增設(shè)剪力墻后結(jié)構(gòu)布置如圖2所示，裙房結(jié)構(gòu)三維模型如圖3所示。

3 對比分析

采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動的CQC反應(yīng)譜法對裙房結(jié)構(gòu)增設(shè)剪力墻前后進(jìn)行對比驗(yàn)算，結(jié)果顯示，增設(shè)剪力墻后解決了第二周期為扭轉(zhuǎn)周期和周期比不滿足規(guī)范限值的問題，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到解決，達(dá)到了預(yù)期效果。設(shè)置剪力墻前后結(jié)構(gòu)單元周期對比如表1所示。

4 抗震性能目標(biāo)

少墻框架是介于框架結(jié)構(gòu)與框架—剪力墻結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)形式，按照多道防線的概念設(shè)計(jì)要求，剪力墻是第一道防線，在設(shè)防地震或罕遇地震下先于框架破壞，由于塑性內(nèi)力重分布，框架部分按側(cè)向剛度分配的剪力會比多遇地震作用下大。由于少墻框架中剪力墻的布置形式、數(shù)量等通常不滿足規(guī)范對于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的要求，結(jié)構(gòu)整體抗震性能較差，為此，有必要對其在中震、大震作用下的可靠性進(jìn)行專門的分析和研究。

表1 設(shè)置剪力墻前后周期對比

階段周期周期比設(shè)置剪力墻前T1=1.844 4(Y)T2=1.690 8(T)T3=1.539 1(X)0.92設(shè)置剪力墻后T1=1.643 8(Y)T2=1.554 4(X)T3=1.313 7(T)0.80

為驗(yàn)算少墻框架中剪力墻在地震作用下的抗震性能以及對整個(gè)結(jié)構(gòu)單元的影響，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，設(shè)定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)為D級，具體詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

5 多遇地震計(jì)算分析

采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算。時(shí)程分析時(shí)選取兩組天然波(TH119TG045，TH002TG045)和一組人工模擬波(RH1TG045)作為地震波曲線。三組地震波持續(xù)時(shí)間分別為59.10 s,28.48 s,30 s，持續(xù)時(shí)間T>15 s和5T1，記錄步長0.02 s，峰值加速度多遇地震為18 cm/s2，設(shè)防地震為50 cm/s2，罕遇地震為125 cm/s2。規(guī)范譜與地震波平均譜計(jì)算結(jié)果的擬合程度如圖4所示，T1，T2，T3周期點(diǎn)上影響曲線相差值分別為3.78%,1.03%,11.52%，計(jì)算結(jié)果滿足《抗規(guī)》5.1.2條要求，在統(tǒng)計(jì)意義上基本相符。

多組地震力作用下X向、Y向各樓層剪力包絡(luò)如圖5所示，地震作用效應(yīng)按《抗規(guī)》5.1.2條取3組時(shí)程計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果相比的較大值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由程序自動按樓層考慮地震力放大系數(shù)。

6 設(shè)防地震計(jì)算分析

按照設(shè)定性能目標(biāo)，對剪力墻進(jìn)行中震不屈服驗(yàn)算，并采用中震不屈服與小震彈性驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，地上1層墻肢及端柱驗(yàn)算結(jié)果對比如圖6所示。

計(jì)算顯示，剪力墻中震不屈服驗(yàn)算出現(xiàn)主筋超筋，端柱出現(xiàn)全截面配筋率超限。可知剪力墻小震彈性計(jì)算截面、配筋不能滿足中震不屈服的驗(yàn)算要求。設(shè)計(jì)若按小震彈性驗(yàn)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，將造成剪力墻在設(shè)防地震作用下的受彎屈服，達(dá)不到設(shè)定的性能目標(biāo)。

7 罕遇地震計(jì)算分析

采用PUSH進(jìn)行罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析，特征周期增加0.05 s，Tg=0.50 s。考慮地下室推覆分析，當(dāng)X向推覆力達(dá)到23 298.5 kN時(shí)，約為小震反應(yīng)譜基底剪力的4.39倍，結(jié)構(gòu)達(dá)到推覆性能點(diǎn)，此時(shí)最大層間位移角為1/231；當(dāng)Y向推覆力達(dá)到21 519.9 kN時(shí)，約為小震反應(yīng)譜基底剪力的2.44倍，結(jié)構(gòu)達(dá)到推覆性能點(diǎn)，此時(shí)最大層間位移角為1/208，均能滿足框架—剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/100的要求，證明結(jié)構(gòu)能滿足“大震不倒”的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用EPDA進(jìn)行動力彈塑性補(bǔ)充驗(yàn)算，底部剪力墻在罕遇地震作用下較早出鉸，造成時(shí)程后期結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的明顯增加，柱、梁出鉸加快，說明少墻框架中關(guān)鍵部位剪力墻的過早屈服對整個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能有較大的影響。結(jié)合中震、大震驗(yàn)算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)體系中剪力墻無法實(shí)現(xiàn)設(shè)定性能目標(biāo)，需對其布置形式、截面尺寸進(jìn)行調(diào)整，并重新進(jìn)行驗(yàn)算以達(dá)到設(shè)定的D級性能目標(biāo)。

8 結(jié)語

少墻框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻由于剛度相對較大，在地震作用下會承擔(dān)較大的地震力，作為二道抗震防線中的第一道防線，一般先于框架柱出現(xiàn)塑性鉸破壞，但由于其布置數(shù)量較少，通常對整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能影響不大。但因?yàn)樯賶蚣芙Y(jié)構(gòu)抗震性能較差，采用時(shí)須謹(jǐn)慎對待，以避免剪力墻受力過大、過早破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的破壞。當(dāng)不可避免時(shí)，建議從以下幾個(gè)方面加以認(rèn)真研究：

1)剪力墻應(yīng)均勻布置，避免形成過大的剛度集中或剛心偏置，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2)宜采取將剪力墻減薄、開豎縫、開結(jié)構(gòu)洞、配置少量單排鋼筋等措施，減小剪力墻的作用。

3)剪力墻布置在結(jié)構(gòu)體單元的關(guān)鍵部位、薄弱部位時(shí)，應(yīng)保證多道防線和必要的安全富裕度，并加強(qiáng)抗震構(gòu)造，避免剪力墻在地震作用下的過早破壞而影響人員疏散及消防救援，甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

4)框架部分的地震剪力值，宜采用框架結(jié)構(gòu)模型和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)模型二者計(jì)算結(jié)果的較大值[2]，保證二道防線的框架具有一定的抗側(cè)力能力。

5)應(yīng)根據(jù)規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)底部框架承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值，確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。按框架—剪力墻結(jié)構(gòu)確定結(jié)構(gòu)位移控制指標(biāo)和剪力墻抗震等級。

6)關(guān)鍵部位剪力墻宜按照性能化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和必要的補(bǔ)充驗(yàn)算，適當(dāng)提高剪力墻的抗震性能目標(biāo)，保證其在地震作用下的延性，通過確保少數(shù)關(guān)鍵構(gòu)件可靠性的途徑保證整個(gè)結(jié)構(gòu)單元的安全可靠。