平面非規則高層住戶樓房中剪刀墻框架的應用與研究

孟瑞軍 MENG Rui-jun

（中鐵建設集團華東工程有限公司，昆山 215300）

0 引言

高層住宅建設非常注重建筑的安全性和質量，因此需要對鋼筋混凝土結構進行精細化的設計和施工，保證其穩定性和材料性能[1-3]。然而，隨著建筑高度的不斷增加，框架結構的節點應力集中，側向剛度小，而剪刀墻結構又存在墻間距離限制和開洞難度等問題，使得結構的靈活性和抗側性能變得不可兼得[4-6]。研究針對平面不規則超限高層住宅，提出了適合該類建筑的框剪結構加強措施，將展示框剪結構在抗震性能、土建造價和建筑空間的方面具有明顯優勢。

1 平面非規則高層住戶樓房中剪刀墻框架抗震性能化設計

1.1 性能目標的確定

抗震性能化設計旨在確保建筑物在地震作用下不會超過預期的破壞程度，從而保障人員的生命安全，同時也避免過多的經濟損失[7-8]。根據建筑抗震設計規范所提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，抗震性能目標主要包括三個方面，具體如表1 所示。

表1 抗震性能目標描述

對應性能水準1，構件的抗震承載力應符合式（1）要求。

式（1）中Rk表示構件的承載力，ξ 表示利用系數，η 表示關鍵構件取值，與表示構件內力標準值。對應性能標準2，構件抗震承載力應符合式（2）要求。

對應性能水準3，構件受剪截面應符合式（3）要求。

式（3）中VGEK表示重力荷載按代表值取值的構件剪力標準值，V**EK表示大震作用計算的構件剪力標準值，無增大系數，ζ 表示剪壓比。性能水準4 的計算方式與性能水準2 相同，只改變壓、剪工況。建筑地震破壞等級劃分標準如表2 所示。

表2 建筑地震破壞等級

研究可以將建筑地震破壞等級分為五個級別，分別是完好、輕微損壞、輕中等損壞、中等損壞和嚴重損壞。完好狀態下所有構件沒有任何破損痕跡。輕微損壞狀態下建筑構件可能發生塑性形變。輕中等損壞狀態下建筑構件的可修復性下降。中等損壞狀態下建筑構件已經出現較為明顯的塑性變形。嚴重損壞狀態下建筑構件已經嚴重受損，需要進行局部拆除并重建。

1.2 小震驗算抗震性能化設計

綜合抗震性能目標描述與抗震性能化設計是一種針對建筑結構的抗震設防設計方法。其步驟如下：首先，需要明確結構的抗震性能目標。其次，需要建立整體彈性模型，并進行“小震不壞”的彈性計算。整體驗算流程如圖1 所示。

圖1 小震計算流程

對于特別不規則建筑、甲類建筑或規范規定的超高建筑，還需要進行小震彈性時程補充分析。其次，需要按照“三水準、二階段”的第二水準要求進行“中震可修”結構驗算。樓板主拉應力設計值如式（4）所示。

式（4）中θ 表示應力夾角，γRE表示承載力抗震調整系數，S 是指樓板鋼筋間距，h 表示樓板厚度，As表示水平筋總面積，下標v 和h 分別表示y 和x 的平行方向。當樓板為雙層雙向配筋時，式（4）可演化為式（5）。

非線性構件運動方程則如式（6）所示。

式（6）中M 表示質量矩陣，C 表示阻尼矩陣，K 表示剛度矩陣，F（t）表示節點動力荷載。

2 地震結構驗算分析

2.1 小震驗算

研究從地震波帶來的振動程度入手，將地震波劃分為小震、中震與大震三種類型進行分析。針對小震，選擇底部剪力、傾覆彎矩、最大房間位移角三種指標進行分析。研究除了使用數據庫中已有的自然波外，還納入人工波進行分析，具體人工波波形如圖2 所示。

圖2 人工波波形

以自然波與人工波為基礎，小震驗算結果如圖3 所示。

由圖3，各個地震波下的底部剪力方向X和Y 的數值范圍不同。反應譜法分析的結果為6802.317 和6824.732，和其他地震波分析的結果相比，結果略低。各個地震波下的傾覆彎矩方向X和Y 的數值范圍不同，其中chi-chi,Taiwan 地震波的傾覆彎矩方向數據較為接近，說明該地震波的對建筑結構的影響比較大。結果說明該方法能夠更準確地反應小震下建筑結構的變形情況。

2.2 中震驗算

針對中震，研究將工況劃分為失效、嚴重損壞、較嚴重損壞、中度損壞、輕度損壞、輕微損壞與無損壞七種情況進行分析。中震驗算下，不同工況下剪刀墻正截面性能狀態如表3 所示。

表3 中震驗算結果

如表3，前兩種工況下剪刀墻的正截面均未出現任何損壞，說明該剪刀墻能夠承受較大的地震荷載。無損工況下，可以看到包絡值列的數據為0，表明該剪刀墻在地震荷載下沒有出現任何損壞。此外，前兩種工況下的剪刀墻，其微損欄數據均為0.1，說明微小的損傷對該剪刀墻的正截面性能狀態沒有產生顯著的影響。對于微損工況下的剪刀墻，NONI111446_X0 的微損欄為0.1，說明該剪刀墻可能出現了輕微的損傷。結果表明這些剪刀墻在微損工況下也表現得非常可靠，具有很好的抗震能力。

2.3 大震驗算圖片

針對大震，研究將主要從基層剪力與頂層位移兩個角度入手，并進行兩個側面的分析，進而判斷地震波性質是否會對演算結果產生影響。基層剪力與房間位移角變化如圖4 所示。

圖4 基層剪力與房間位移角變化

根據圖4 的樓層位移角與基礎剪力變化曲線得出，大震驗算結果如圖5 所示。

圖5 大震驗算結果

首先，在基底剪力方面，四個維度的結果分 別 為 19466kN、15255kN、20712kN 和7543kN， 在這些方法中， 天然波NONI1114460 的結果最大，CQC 反應譜法的結果最小。頂層位移方面，四個維度的結果分別為0.576m、0.289m、0.61m 和0.063m，其中，天然波NOAKI1408430 的結果明顯偏小，其他三種結果比較接近?？梢钥闯龅卣鸩ǖ男再|會對結果產生較大的影響。

3 結論

該研究對平面非規則高層住戶樓房中剪刀墻框架進行抗震性能化設計。解決方法包括整體彈性模型建立、小震彈性計算和內力調整等因素考慮，中震結構設計以及大震驗算分析，得出以下結論：①小震中各個地震波底部剪力方向X 和Y 的數值范圍在5900 到8700。傾覆彎矩的數值范圍在380000 到780000。②中震中剪刀墻在不同工況下表現出不同的損傷情況，但整體性能良好，能夠承受較大的地震荷載。在所有的工況下，剪刀墻均未出現失效或嚴重損壞。在某些輕微工況下，剪刀墻存在微損壞或無損情況。③在大震中，基底剪力方向四個維度的結果分別為19466kN、15255kN、20712kN 和7543kN。頂層位移方向四個維度的結果分別為0.576m、0.289m、0.61m和0.063m。不同地震波的性質對地震響應結果產生較大的影響，存在明顯差異。