某電梯試驗塔結構剛度突變對策研究

陳春暉，徐其功，魏還俊，鄭昊

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣州 510010）

1 引言

高層建筑中，由于連梁兩端墻肢的相對變形會引起連梁兩端的豎向位移差，導致在連梁內產生很大的內力。在設計時應采取降低連梁內力的各種措施，例如，增大剪力墻的洞口寬度，在連梁中部設水平縫[1]，設置斜向交叉暗撐配筋連梁[2]、型鋼-混凝土混合連梁[3]，在計算內力和位移時，對連梁剛度進行折減，對局部內力過大層的連梁進行調整等，使連梁的設計符合要求。

高烈度設防地區的框架-剪力墻或剪力墻結構連梁和有截面收進的核心筒結構中連接內外筒的剪力墻連梁剛度相對墻體較小，協調剛度很大的墻肢變形承受的剪力特別大，往往通過以上所列方法還是解決不了連梁剪力超限的問題。

本文基于某電梯試驗塔項目對結構剛度突變進行研究，創新發明了一種新型的疊合鋼板耗能連梁，并對其進行模擬計算分析。

2 工程概況

該電梯試驗塔位于廣東省中山市，地下3 層，地上33 層，樓層層高不同，其中，最大層高為9 m，建筑總高度為256.2 m。該建筑的主要功能為電梯功能（如高速運行、急剎、雙箱等）測試。建筑物在132 m 以下為混凝土雙筒形式，132 m 以上僅保留了內筒。下部平面尺寸為30 m×26.2 m，上部平面尺寸為22.6 m×19.6 m，最大高寬比達到9.4。

本工程結合建筑平面布置的特點，采用鋼筋混凝土筒體結構體系。為確保該工程的抗震性能，采取了如下措施：根據建筑平面布局和立面收進的特點，本工程沿建筑四周布置成內外2 道鋼筋混凝土剪力墻的筒體結構，從而保證了本工程大高寬比的剛度要求，并且鋼筋混凝土筒體作為主要抗側力結構，承擔全部的地震作用和風荷載。結構示意圖如圖1 所示。

圖1 結構示意圖

3 結構剛度突變對策研究

經計算，該電梯試驗塔在標高92.00～123.00 m 處（即結構截面收進部位），連接內、外筒之間的2 段剪力墻在地震及風荷載作用下分擔的剪力的比值有突變，相比其他層增大很多。經分析，可能是由于結構平面的縮進致使內、外筒的變形協調要靠此連接內、外筒之間的2 段剪力墻平衡，以及結構平面的縮進使水平力也需靠此連接內、外筒之間的2 段剪力墻平衡。

為協調內、外筒的變形，減少外伸剪力墻的剪力，將內筒與外伸剪力墻之間開洞處理，設置混凝土連梁，連梁尺寸為450 mm×600 mm。

計算結果顯示，連梁承受了較大的剪力，剪壓比嚴重超限。

由于連梁兩端墻肢不均勻的相應變形會引起連梁兩端的豎向位移差，這將在連梁內產生很大的應力。要減小連梁剛度、降低連梁內力，可以增大剪力墻的洞口寬度，在計算內力和位移時對連梁剛度進行折減，或者在連梁中部設水平縫等。本項目外伸剪力墻只有6 m，增大洞口寬度不合理；計算內力和位移時對連梁剛度進行折減，也還是不能滿足要求。

如果把連梁離散為片狀，可以減少連梁抗彎剛度，且不降低連梁的水平力傳遞能力，因此，連梁具有良好的變形能力，可使其在承受較大地震剪力時，發揮較好的延性耗能能力。再進一步改進，將此連梁改為多層鋼片，承載力高，變形能力好，剛度也大大降低了。按照這個思路，將連梁設置為6 塊0.8 m×0.45 m×0.04 m 的Q235B 鋼板，間距0.2 m，并由變形較好的橡膠填充，最上面鋼板的頂面與剪力墻頂面齊平，分別與2 片剪力墻預埋的型鋼固定相連接，與左前方剪力墻平行布置并與右后方剪力墻垂直，如圖2 所示。

圖2 疊合鋼板連梁設置大樣

4 疊合鋼板耗能連梁分析

4.1 疊合鋼板耗能連梁的耗能能力模擬計算

建立2 種結構模型，對疊合鋼板耗能連梁的耗能能力進行模擬計算。結構模型一剪力墻直接相連，結構模型二如圖2設置疊合鋼板耗能連梁。

該耗能連梁由6 塊0.8 m×0.45 m×0.04 m 的Q235B 鋼板組成，鋼板間距0.2 m，最上面鋼板的頂面與剪力墻頂面齊平，兩端與剪力墻較好固結，與左前方剪力墻平行布置并與右后方剪力墻垂直。

為量化該0.8 m×0.45 m×0.04 m Q235 鋼板的耗能能力，采用通用有限元軟件Abaqus 對其進行低周反復加載模擬，加載制度參考美國ATC-24（1992）[4]建議，采用位移控制方式加載，見表1。

表1 加載制度

模型中鋼板材料選用Q235B，本構關系選用隨動雙線性強化模型，強化段剛度取為彈性段的3%。得出構件的力-位移滯回曲線如圖3 所示。

圖3 鋼板滯回曲線

由圖3 可知，Abaqus 模擬得到的滯回曲線形狀飽滿，據此，認為該鋼板耗能能力良好。

4.2 采用該疊合鋼板耗能連梁前后結構典型構件的受力情況對比

對2 個模型進行計算，相連剪力墻采用疊合鋼板連梁前后內力比較：在X 方向和Y 方向地震力以及風荷載作用下，剪力墻的彎矩和剪力都有明顯的下降。

4.3 疊合鋼板連梁在地震作用下的內力分析

疊合鋼板連梁在多遇地震作用下的內力分析：在X 方向和Y 方向地震力的作用下，鋼板連梁大部分處于彈性狀態，變形不大。

疊合鋼板連梁在罕遇地震作用下的內力分析：在X 方向和Y 方向地震力的作用下，鋼板連梁大部分處于屈服狀態，變形較大，但并未破壞。

用PKPM 軟件對設置了疊合鋼板的試驗塔進行多遇地震下的反應譜分析，并與Midas/building 軟件分析結果比較，整體結構基本滿足規范及規程的要求，能達到多遇地震下的抗震設防目標。

大震下，采用Midas/building 軟件進行結構的動力彈塑性時程分析，整體結構以彎曲變形為主，除了部分連梁進入塑性狀態，剪力墻基本處于彈性狀態，滿足大震下的抗震性能水準要求。

綜上所述，本工程采用疊合鋼板連梁，能顯著減小相連剪力墻的剪力、彎矩；而連梁本身在多遇地震下大部分處于彈性狀態，罕遇地震下大部分屈服但未破壞。結構整體計算能滿足多遇地震下的設防目標和大震下的抗震性能水準要求。

5 結語

本文基于實際項目，對高層建筑結構剛度突變進行研究，采用了一種新型的疊合鋼板耗能連梁，并對其進行模擬計算分析，得出以下結論：

1）Abaqus 模擬得到的滯回曲線形狀飽滿，據此，認為該鋼板耗能能力良好；

2）疊合鋼板耗能連梁在多遇地震和罕遇地震下有效地減小了剪力墻所受到的剪力和彎矩，有效地解決了該超限結構縮進處剪力墻剪力超限的難題；

3）疊合鋼板在罕遇地震下大部分進入了塑性階段，作為結構的第一道抗震防線，耗散地震能量，很好地保護了主體結構，且避免了混凝土連梁大面積超筋的情況。