細長剪力墻結構的抗震性能研究

司海玉

（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程概況

取某采用細長剪力墻結構的已建高層住宅建筑為研究對象。該工程建設于安徽合肥，地上24層，地下1層。本工程抗震設防基本烈度為7度0.10g，抗震設防類別為丙類，設計地震分組為第一組，建筑物場地類別為II類，場地特征周期為 0.35s；基本風壓：W0＝0.60kN/m2（承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用），地面粗糙度類別：B類；基本雪壓：0.60kN/m2。

2 細長剪力墻的彈性分析

2.1 SATWE計算結果分析

采用兩種不同力學模型的結構分析軟件PKPM進行小震作用下結構的內力和變形分析，計算結果如下：

① 周 期 T1=1.5511s(平 動 系 數 為0.99)、T2=1.4981s(平動系數為 0.98)、T1=1.2406s(平動系數為 0.03)，周期比為0.80＜0.9；

②考慮偶然偏心的地震作用，本工程X向最大層間位移比為1.14（26層），Y向最大層間位移比為1.14（16層），兩者均滿足《高規》[2]3.4.5條的要求；

③查看SATWE計算結果位移輸出文件，在地震作用下，X方向的最大層間位移角為1/2974，所在層號為第13層，Y方向的最大層間位移角為1/3128，所在層號為第18層，兩者均滿足《高規》對結構的水平位移限值和舒適度的要求；

④該結構不存在側向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續和樓層承載力突變中的任何一個，故判斷本工程無薄弱層；

⑤本工程剪力墻抗震等級為三級，按照規范，三級要求軸壓比不能超過0.6。 對 第 十 層（標 準 層 ，墻 厚 為160mm）的剪力墻軸壓比分布在0.27～0.40，且85%分布在0.27～0.34的范圍內，可見各墻肢軸壓比比較接近，每一道剪力墻都能夠充分發揮其作用。

綜上可知，該結構在多遇地震下包括承載力驗算和彈性變形計算在內的彈性計算結果均能滿足《抗規》[3]、《高規》的要求。

2.2 彈性動力時程分析

2.2.1 地震波的選擇

此時進行彈性動力時程分析的主要目的是篩選出適合的地震波，從而為下一步的罕遇地震彈塑性動力時程分析做基礎工作。高層建筑結構進行動力時程分析采用的地震波有人工模擬地震波、典型的強震記錄和場地的實際地震記錄[4]。地震波選取步驟按文獻[5]。

查SATWE軟件輸出的“周期、振型、地震力”文本文件（WZQ.OUT）,得本工程X向基底剪力為3509.78kN，Y向基底剪力為3839.42kN。

該工程場地類別為II類場地土，其對應的特征周期T=0.35s，在計算罕遇地震作用時，特征周期應增加0.05s。根據這兩個條件，選擇兩條人工波、六條天然波進行試算。該八條地震波的波譜與規范譜的對比圖如圖1（a）所示。根據該要求篩選出兩條天然波TH4TG040、TAF-2以及一條人工波RH4TG040。該三條波的波譜與規范譜的對比圖如1(b)所示。各地震波的相關參數如表1所示，加速度時程圖分別如圖2～圖4所示。

圖1 規范譜與地震波譜對比圖

地震波參數 表1

圖2 地震波加速度時程圖（RH4TG040）

圖3 地震波加速度時程圖（TH4TG040）

圖4 地震波加速度時程圖（TAF-2）

經計算得這三條波及反應譜法在X向、Y向所計算的基底剪力和基底彎矩如表2所示。

根據以上計算結果可知，所選擇的地震波的時程分析結果滿足《高規》

4.3.5 條2款的要求。

2.2.2 彈性動力時程分析結果

①三條地震波計算的結構X、Y向最大層間位移及位移角如圖5、圖6所示。

從表2和圖5、圖6可知，振型分解反應譜的計算結果均大于采用彈性動力時程分析的計算結果，所以振型分解法的計算結果滿足要求。

TH4TG040、RH4TG040、TAF-2及平均基底剪力在X、Y的計算結果 表2

圖5 結構X向最大層間位移及位移角曲線

圖6 結構Y向最大層間位移及位移角曲線

②三條地震波的最大層間位移角如表3所示。

三條地震波的最大層間位移角 表3

分析以上數據可知，該結構平面布置和剛度分布都比較規則。X向結構的最大層間位移比主要出現在第19層，Y結構的最大層間位移比主要出現在第24層，計算結果均小于《高規》規定的1/1000；在X向、Y向的位移比分別為1.18、1.17；其周期比為 0.73，這說明結構的位移及抗扭轉效應都比較好。

3 細長剪力墻的靜力彈塑性分析

本工程采用PKPM-PUSH進行分析。

3.1 X向彈塑性靜力推覆分析

①罕遇地震下結構的需求曲線、能力曲線及抗倒塌驗算結果如圖7所示。

圖7 X向罕遇地震下結構的需求曲線、能力曲線及抗倒塌驗算結果

圖7中，加速度需求譜曲線與周期-最大層間位移角曲線的交點即為性能點。該工程的需求層間位移角為1/599，小于《高規》規定的限值1/120，滿足在罕遇地震作用下規范規定的要求，這表明該結構具有足夠大的強度和剛度，在罕遇地震下不會發生倒塌破壞。

②與性能點相對應的總加載步號為29，所對應的結構主方向位移、主方向剪應變曲線和主方向位移角如圖8所示。

圖8 第29加載步所對應的結構主方向位移、主方向剪應變曲線和主方向位移角

根據上述結果，本工程罕遇地震作用下，層間位移和層高的關系基本為線性，位移角和剪應變在結構高度中部以下呈線性遞增的狀態，而在結構中部出現拐點，中部以上則呈現遞減狀態。X主方向最大層間位移為98.50mm，出現在頂層；最大層間位移角為1/599，所對應的層號為第11層。

③第29加載步所對應的結構桿端塑性狀態如圖9所示。

圖9 第29加載步所對應的結構桿端塑性狀態

通過圖9可以發現，剪力墻、梁端等部位都出現較多的塑性鉸，此結果說明結構變形已經處于彈塑性階段（黃色表示曾經出現的塑性鉸，紅色表示當前加載步的塑性鉸）；較大部分的塑性鉸出現在結構的底部，說明結構底部為薄弱部位，在設計時應特別考慮。

④在性能點處，第11層的位移-荷載、位移角-荷載、剪應變-荷載曲線如圖10所示。

圖10 性能點處，第11層的位移-荷載、位移角-荷載、剪應變-荷載曲線

由于篇幅所限，本文未列出Y向彈塑性靜力（動力）推覆分析結果，其結果與X向的類似。

圖11 X向最大樓層位移、最大層間位移角及最大有害位移曲線

綜上，在罕遇地震作用下，該采用細長剪力墻結構的高層住宅建筑在各樓層剛度分布比較均勻,沒有出現較為明顯的薄弱層；該結構體系的變形形態為彎剪型，過渡層以上剪力起主導作用,過渡層以下則由彎矩控制。因此建議在該結構在過渡層以上部分重點考慮抗剪，過渡層以下部分重點考慮抗彎，而在過渡層部位則需要同時考慮抗彎抗剪加強。

4 細長剪力墻的彈塑性動力時程分析

4.1 X向彈塑性動力時程分析

在其X主方向用PKPM-EPDA軟件對該結構進行彈塑性動力分析,結果如下:

①在罕遇地震作用下，三條地震波在X主方向產生的最大樓層位移、最大層間位移角及最大有害位移曲線如圖11所示；

②在罕遇地震作用下，三條地震波產生的結構塑性分布如圖12所示。

圖12 X向最大層間位移角時刻的結構裂縫和塑性鉸分布圖

4.2 罕遇地震作用下的變形驗算結果

本工程在三條地震波的分別作用下，結構最大層間及有害位移角的數值及所對應的層號如表4所示。

結構最大層間及有害層間位移角的計算結果 表4

5 結論

本文通過對某24層采用細長剪力墻結構體系的高層住宅進行彈性分析、彈性動力時程分析、靜力彈塑性分析和彈塑性動力時程分析，可以得到以下結論：

①通過對結構的彈性分析可知，該結構在多遇地震下包括承載力驗算和彈性變形計算在內的彈性計算結果均能滿足《抗規》《高規》的要求，即“第一階段設計”完成，該結構在水平力作用下的變形曲線呈彎剪型；

②通過對結構的彈塑性靜力分析可知，該工程在罕遇地震作用下的需求層間位移角為小于規范限值1/120，表明該結構強度和剛度均符合規范要求，即在罕遇地震下不會發生倒塌破壞；

③通過對結構的彈塑性動力時程分析可知，結構構件變形性能及整體性能的結果表明，結構能夠滿足“大震不倒”；結構的層間位移角及彈塑性位移均能滿足《抗規》《高規》等的限值要求，且有一定的冗余度。