框支剪力墻結構抗震性能評估

趙亞軍，榮浩霖，鄭裕金，劉宇翔，徐敏

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著經濟的發展和科學技術的進步，對現代建筑的要求也越來越高，隨著高層建筑的問世，隨之而來的是新的安全問題，其中建筑物的抗震問題一直以來都是關注的焦點之一。

伴隨著資源的集中和土地利用率的提高，商業中心的高層建筑鱗次櫛比，但其功能和安全性仍然值得謹慎對待。辦公樓多是鋼筋混凝土的框架式建筑，但結構不連續，底部商業區高度較小，側向剛性的支撐層容易出現受力薄弱現象[1-2]。大量學者研究表明[3-5]，結構物的集中變形容易發生在豎向結構不規則的樓層，在受到外力作用時，容易發生樓層側移的現象，甚至出現結構破壞，導致樓棟倒塌[6-7]。

本文通過對高140.5m 的鋼筋混凝土結構物的支撐剪力墻進行分析，比較普通結構和粘滯阻尼器結構在Chichi波影響下對混凝土框架結構的動力時程以及角位移的變化情況，探究粘滯阻尼器多結構抗震性能的作用效果，來研究結構的抗震特性。

2 工程概況

該工程為高140.5m 的鋼筋混凝土結構物，共38 層。文中主要對建筑物的支撐剪力墻進行分析。該建筑長47.4m，寬17m，設計使用年限為50 年，設置7 度抗震烈度，二類別場地類型。建筑場地的周期性特征0.3s，設丙類抗震，二級結構安全。建筑物的轉換層在第4 層，避難層為第16 層，第4 層和第16 層采用實心鋼管混凝土為主要支撐結構，混凝土強度為C60，鋼管采用Q345鋼。

根據甲方的要求，在中級地震的情況下避難層和轉換層的承重構件和轉換構件要處于彈性狀態，且彈性變形處于設計范圍內。在不影響建筑物使用空間的條件下，避難層和轉換層結構豎直方向的剛度會發生突變，在這兩層建筑中布置44 個粘滯阻尼器。阻尼器的連接通過兩端的球鉸與主體結構采用剛性固接，具體在結構的外部立面采用人字支撐體系，在結構的內部立面采用門架支撐體系。經過調試和計算阻尼指數后，設計阻尼器的阻尼指數為0.2，系數為300kN·s/mm2。每層布置22 個測試點位，每個點位設置粘滯阻尼器兩個。

3 結構動力時程分析

本文對比普通結構和粘滯阻尼器結構對混凝土框架結構的動力時程影響，來探究結構的抗震曲線。文中選取了5種工況作為地震波樣本，然后調整每種工況的結構周期性自震特征和場地類型，參考《建筑工程抗震性態設計通則》中最不利于結構物的4 種震動類型，將信息作為邊界條件輸入到Matlab 中進行擬合，根據結構震級分組、自振周期數值、抗震烈度的設計以及震動阻尼比等參數，在Matlab 中擬合一條滿足設計要求的人工地震波形，天然的地震波參數如表1所示，每一次地震波維持15s。

表1 天然的地震波參數

3.1 結構位移響應分析

在進行阻尼器布置時，以水平面為基準，定義結構的平面圖中寬度方向為Y軸，長度方向為X軸。在結構檢測中發現Y 軸方向的結構抗震性較差，因此本文主要分析Y 軸方向的結構動力時程曲線。本文對比普通結構和粘滯阻尼器結構在Chichi波影響下對混凝土框架結構動力時程的影響，獲得避難層與轉換層的動力時程位移曲線，來研究鋼混結構在設置粘滯阻尼器后，在不同震級條件下結構位移的變化情況。

普通結構和粘滯阻尼器結構在Chichi 波影響下對混凝土框架結構動力時程的影響曲線如圖1所示，圖1中展示了避難層和轉換層的動力時程位移曲線。由圖1 可知，Chichi 波的峰值加速度值35gal時，避難層和轉換層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結構耗能減震效果在30%左右，避難層和轉換層之外的樓層，粘滯阻尼器結構耗能減震效果在18%左右。Chichi 波的峰值加速度值220gal時，避難層和轉換層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結構耗能減震效果在10%左右，避難層和轉換層之外的樓層，粘滯阻尼器結構耗能減震效果在6%左右。

圖1 避難層和轉換層的動力時程位移曲線

3.2 結構各層最大層間位移角分析

普通結構和粘滯阻尼器結構在Chichi 波影響下對混凝土框架結構層間角位移的影響曲線如圖2所示，圖2中展示了混凝土框架結構每層的層間角位移曲線。表2 中列出了第4 層、第16 層、第30層、第37層在不同地震波峰值加速度條件下，普通結構和粘滯阻尼器結構的層間角位移變化值，并計算了采用粘滯阻尼器后的結構減震效果變化百分數。觀察圖2 可以看出，在地震波峰值加速度不同的條件下，采用粘滯阻尼器的結構層間角位移變化值更小，說明在結構物中設置粘滯阻尼器可以有效提高結構物的抗震能力。同時，觀察層間的角位移變化曲線可以看出，層間最大角位移的變化值在轉換層和避難層時存在一個突變現象，并且這兩層的角位移變化值更小。Chichi 波的峰值加速度值35gal時，各結構層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結構耗能減震效果在17%～37%之間，Chichi波的峰值加速度值220gal時，避難層和轉換層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結構耗能減震效果在20%左右，避難層和轉換層之外的樓層，粘滯阻尼器結構耗能減震效果在13%～16%變化。

圖2 Chichi波作用下各層最大層間位移角曲線

表2 不同樓層最大層間位移角及變化幅值

4 鋼混框架支撐結構抗震能力需求分析

4.1 靜力彈塑性分析模型

在對鋼混框架支撐結構進行抗震研究時，首先要進行靜力狀態的彈性和塑性分析，考慮結構在受力狀態的最不利條件側向受力，并確定荷載的分布情況。還需要考慮P-Δ 效應對結構穩定性的影響。在進行荷載分配時，要求根據各個構件的實際配筋情況合理分配，使用XTract分析法對各個截面進行壓彎強度計算。將構件的連接兩端定義為塑性鉸接，并考慮構件在荷載作用下發生非線性變形，圖3 中展示了不同的混凝土梁和鋼管混凝土的壓彎曲線。在進行擬合時本文采用Mander 模型對混凝土構件進行滯回計算，并定義構件發生理想的彈塑性形變。考慮到混凝土本身的材料性質和受力筋的分布情況，在計算時僅考慮構件中鋼筋的非線性力學行為。

圖3 轉換構件截面承載力曲線

4.2 結構地震需求曲線與抗震能力曲線

普通結構和粘滯阻尼器結構在Chichi波影響下，鋼管混凝土框架結構的抗震能力需求曲線如圖4所示，圖4中展示了各結構層在大、中、小三種不同震級條件下的抗震能力需求曲線。由圖4 可知，不同的結構層抗震能力需求曲線之間存在交點，這一交點被稱為結構性能點，是結構抗震能力與抗震需求的臨界點。觀察圖中數據可以看出，普通結構在震級由大到小，結構的頂點最大位移值分別為405mm、193mm、82mm。粘滯阻尼器結構在震級由大到小，結構的頂點最大位移值分別為345mm、133mm、31mm。根據圖4 中的數據獲得的各能級震級條件下，普通結構和粘滯阻尼器結構的結構性能點最大角位移數據如表3所示。

圖4 鋼混框架支撐結構抗震能力曲線與需求曲線

表3 結構性能點最大角位移

由表3 中數據可知，普通結構的抗震變形能力符合規范設計的最大角位移＜0.0001 的要求，并且符合大震條件下抗倒塌的最大角位移＜0.0083 的要求。帶粘滯阻尼器結構在不同的震級條件下顯著減小了結構層的最大角位移值，從而增強了結構的抗震能力，使結構在更大震級作用下抵抗變形的能力得到提高，在小震作用下最大層間角位移減小了54%，在中震作用下最大層間角位移減小了27%，在大震作用下最大層間角位移減小了13%。

4.3 各個性能點下各樓層層間位移

不同震級結構性能點的角位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知，粘滯阻尼器，在小震作用下將轉化層的地震需求減小了84%，在中震作用下將轉化層的地震需求減小了32%，在大震作用下將轉化層的地震需求減小了15%。粘滯阻尼器，在小震作用下將避難層的地震需求減小了63%，在中震作用下將避難層的地震需求減小了31%，在大震作用下將避難層的地震需求減小了14%。避難層和轉換層之外的樓層，粘滯阻尼器結構地震需求減小幅度在13%～59%變化。

圖5 不同震級結構性能點的角位移曲線

5 鋼混框支撐剪力墻結構塑性鉸

為了更清晰地描述普通鋼混框架支撐結構的剪力墻破壞模式，從而探究粘滯阻尼器多結構抗震性能的作用效果，本文選擇實際工程中典型的鋼混結構作為實例，構件的塑性鉸分布情況和發展情況如圖6所示。由圖6可知，當構件的最大角位移增大到334mm 時，框架結構開始出現塑性鉸。隨著頂點角位移不斷增大到398mm，30 層的塑性鉸開始發展。隨著頂點角位移不斷增大到725mm，避難層以上的樓層塑性鉸特征顯著，但塑性變形卻維持基本不變的狀態，避難層以下的樓層塑性鉸繼續發展。當頂點角位移不斷增大到1105mm 時，避難層及以下樓層的兩端均出現塑性鉸。通過這一現象可以看出，當結構物在外力作用下發生的變形較大時，鋼混框架結構的剪力墻表現弱非線性狀態。

圖6 鋼混構件的塑性鉸分布和發展情況

6 結論

粘滯阻尼器減震效果顯著，在小震情況下避難層和轉換層的結構耗能減震效果在30%左右，避難層和轉換層之外的樓層，粘滯阻尼器結構耗能減震效果在18%左右。在大震條件下避難層和轉換層的結構耗能減震效果在10%左右，避難層和轉換層之外的樓層，粘滯阻尼器結構耗能減震效果在6%左右。

帶粘滯阻尼器結構在不同的震級條件下顯著減小了結構層的最大角位移值，從而增強了結構的抗震能力，使結構在更大震級作用下抵抗變形的能力得到提高，在小震作用下最大層間角位移減小了54%，在中震作用下最大層間角位移減小了27%，在大震作用下最大層間角位移減小了13%。

當結構物在外力作用下發生的變形較大時，鋼混框架結構的剪力墻表現弱非線性狀態。