超限高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

陳長(zhǎng)美 錢(qián) 江 陳長(zhǎng)錫

（1.上海天華建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海200235；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海20092；3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064）

超限高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

陳長(zhǎng)美1，2，*錢(qián) 江2陳長(zhǎng)錫3

（1.上海天華建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海200235；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海20092；3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安710064）

框支剪力墻結(jié)構(gòu)容易在底部形成大空間，可以滿(mǎn)足變化多樣的使用要求。但框支剪力墻結(jié)構(gòu)易在底部形成薄弱層，不利于抗震。以云南某在建帶高位轉(zhuǎn)換層超限高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)為具體研究對(duì)象。首先，采用通用有限元程序ANSYS對(duì)該結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行較為細(xì)致的數(shù)值模擬分析；接著，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能綜合分析；并采用彈塑性需求譜的改進(jìn)能力譜方法對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)估。最后，通過(guò)改變轉(zhuǎn)換層上、下剛度比以及轉(zhuǎn)換層高度的方式，討論了框支層相對(duì)剛度及位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。以期為此類(lèi)型建筑設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供參考建議。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層，剛度比，推覆分析，彈塑性時(shí)程分析

1 引 言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，高層建筑發(fā)展迅速，建筑朝體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展［1，2］。由于建筑功能的需要，框支剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)上部作為住宅、寫(xiě)字樓，下部用作商業(yè)設(shè)施具有優(yōu)越的使用功能，但這種結(jié)構(gòu)形式一般底部剛度較小，容易形成薄弱層，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。

2 工程概況

云南某在建項(xiàng)目B棟132.00 m，裙房為5層商業(yè)用房，層高同住宅塔樓，分別為6.0 m、4.8 m、4.8 m、4.8 m、6.2 m，屋面標(biāo)高26.60 m。裙房與塔樓間不設(shè)縫，住宅塔樓與商業(yè)裙房下設(shè)四層地下室，主要用作地下車(chē)庫(kù)和商業(yè)。采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在塔樓5層頂設(shè)轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻體系，以下為部分框支剪力墻體系。水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件為2.5 m高箱型轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層頂、底樓板厚200 mm。箱型內(nèi)部肋板（腹板）寬600～800 mm，肋梁內(nèi)設(shè)置H型鋼，以提高其承載力及延性性能，含鋼率6%～9%。肋梁截面由截面剪壓比控制。框支柱截面邊長(zhǎng)為1 200～1 600mm?？蛑е鶅?nèi)設(shè)十字形鋼骨，以提高其承載力及延性，含鋼量8%。框支柱尺寸由其抗彎承載力控制。

3 ANSYS有限元數(shù)值計(jì)算分析

圖1給出結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，圖2給出結(jié)構(gòu)分析所用的典型節(jié)點(diǎn)位置示意圖。

圖1 有限元計(jì)算模型Fig.1 Finite element calculation model

圖2 典型節(jié)點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Typical node location diagram

本文通過(guò)對(duì)某在建超限框支剪力墻結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)研究此類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗震性能［3，4］，針對(duì)影響框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的幾個(gè)主要因素［5］，通過(guò)改變轉(zhuǎn)換層上、下剛度比以及轉(zhuǎn)換層高度的方式，討論了框支層相對(duì)剛度及位置對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。以期為此類(lèi)型建筑設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供參考建議。

3.1 時(shí)程分析

該建筑物場(chǎng)地屬于Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，結(jié)構(gòu)按8度抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)基本加速度為0.20 g，分析中不考慮地下室，結(jié)構(gòu)底層與基礎(chǔ)剛接。結(jié)合設(shè)計(jì)單位建議及主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的要求，選擇以下5條地震記錄作為激勵(lì)。

TH1TG055波：由PKPM公司提供，為天然地震波，單向輸入。

TH3TG055波：由PKPM公司提供，為天然地震波，單向輸入。

RH3TG055波：由PKPM公司提供，為人工地震波，單向輸入。

Taft地震波：為天然地震波，雙向輸入。

El Centro地震波：為天然地震波，雙向輸入。

彈性時(shí)程分析按8度多遇地震作用的工況進(jìn)行，輸入的加速度時(shí)程曲線按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）［6］進(jìn)行調(diào)整，即最大幅值調(diào)整為70 cm／s2。地震波雙向水平輸入時(shí)，其加速度最大值按1∶0.85的比例調(diào)整。采用通用有限元程序ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，模型見(jiàn)圖1。由計(jì)算結(jié)果可知，典型節(jié)點(diǎn)N9與結(jié)構(gòu)的重心很接近，以下均取N9的位移響應(yīng)分析。

圖3 各工況小震作用下結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)曲線Fig.3 Themaximum displacement response curve of structure under frequent earthquake

圖4 各工況小震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角響應(yīng)曲線Fig.4 Themaximum inter-story drift curve of structure under frequent earthquake

表1 彈性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果匯總Table 1 The response results of the structure under elastic time-history analysis

從圖3、圖4可以看出，由于結(jié)構(gòu)裙房在Y方向的貢獻(xiàn)使結(jié)構(gòu)在Y向變形均勻，而結(jié)構(gòu)X方向則顯現(xiàn)了框支剪力墻結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)，在下部框支層的變形較大，有突變。

從表1可見(jiàn)，小震作用下，X向最大層間位移角平均值為1／2 260，最大值為1／1 574；Y向最大層間位移角平均值為1／1 308，最大值為1／1 006。平均值滿(mǎn)足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，即小震時(shí)最大層間位移角不大于1／1 000。

彈塑性時(shí)程分析按8度罕遇地震作用的工況進(jìn)行，輸入的加速度時(shí)程曲線最大幅值調(diào)整為400 cm／s2。

從圖5、圖6可以看出，罕遇地震下結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律與多遇地震作用結(jié)果類(lèi)似。

從表2可見(jiàn)，大震作用下，X向樓層最大側(cè)移為509 mm，Y向樓層最大側(cè)移為876 mm；X向最大層間位移角平均值為1／263，最大值為1／122；Y向最大層間位移角平均值為1／214，最大值為1／120。滿(mǎn)足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

圖5 各工況大震作用下結(jié)構(gòu)最大位移響應(yīng)曲線Fig.5 Themaximum displacement response curve of structure undermajor earthquake

圖6 各工況大震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角響應(yīng)曲線Fig.6 Themaximum inter-story drift curve of structure undermajor earthquake

表2 彈塑性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果匯總Table 2 The response results of the structure under elasto-p lastic tim e-history analysis

3.2 靜力推覆分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力推覆pushover分析，采用三種不同的水平力加載方式：①水平推覆荷載沿豎向按均布方式；②水平推覆荷載沿豎向按倒三角方式；③水平推覆荷載沿豎向按第一振型方式。三種加載方式水平力沿豎向分布可見(jiàn)圖7，由于在轉(zhuǎn)換層樓層處質(zhì)量很大，故水平荷載在此發(fā)生突變。三種方法推覆分析X、Y方向結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線見(jiàn)圖8。

圖7 計(jì)算模型三種不同的水平加載方式（推覆分析）Fig.7 Three different lateral loading schemes on structure model（pushover analysis）

圖8 計(jì)算模型基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線（推覆分析）Fig.8 The base shear-top displacement curve of structuremodel（pushover analysis）

圖9 X向大震作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)曲線（第一振型加載）Fig.9 The displacement response curve of structure undermajor earthquake in X direction（firstmode loading scheme）

圖10 Y向大震作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)曲線（第一振型加載）Fig.10 The displacement response curve of the structure undermajor earthquake in Y direction（firstmode loading scheme）

三種推覆方法下結(jié)構(gòu)的基底剪力頂點(diǎn)位移曲線相差較大，說(shuō)明加載方式對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)推覆分析結(jié)果影響較大。

以下的推覆位移響應(yīng)曲線，“大震”目標(biāo)位移參考彈塑性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果“Avg”曲線，取結(jié)構(gòu)X、Y向頂點(diǎn)位移角分別約為1／500、1／270時(shí)刻考查推覆分析結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力響應(yīng)。

從圖9、圖10可以看出，隨著結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)層間位移角響應(yīng)最大值出現(xiàn)在16～21層間，表明結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在這些樓層。

根據(jù)計(jì)算得到的三種不同水平加載方式作用下結(jié)構(gòu)推覆分析的響應(yīng)結(jié)果，使用改進(jìn)能力譜方法對(duì)塔樓的抗震能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中改進(jìn)的能力譜法是將多自由度轉(zhuǎn)化為等價(jià)的單自由度體系，建立單自由度體系的能力圖，同時(shí)建立單自由度體系的等延性設(shè)計(jì)譜，將等延性設(shè)計(jì)譜轉(zhuǎn)化為加速度位移格式后與等價(jià)單自由度體系能力譜加以比較，來(lái)確定結(jié)構(gòu)的彈塑性抗震性能。

8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大加速度影響系數(shù)αmax＝0.9。Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)特征周期Tc＝0.55 s。按照相似關(guān)系分別構(gòu)造延性系數(shù)μ＝1，1.5，2，3，4時(shí)的非彈性需求譜曲線Sa-Sd。同時(shí)將結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線轉(zhuǎn)換成Sa-Sd格式的能力譜曲線，將能力譜曲線和需求譜曲線繪制在一起，8度罕遇地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)的能力譜需求譜曲線見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 X向8度罕遇地震下能力譜與需求譜曲線Fig.11 The power spectrum and demand spectrum curve under 8 degreemajor earthquake in X direction

圖12 Y向8度罕遇地震下能力譜與需求譜曲線Fig.12 The power spectrum and demand spectrum curve under 8 degreemajor earthquake in Y direction

結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震下能力譜與需求譜都有交點(diǎn)，通過(guò)此性能點(diǎn)反推到推覆曲線中找到對(duì)應(yīng)的荷載步下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)見(jiàn)圖9、圖10。結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角為1／330，結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移角為1／309，均滿(mǎn)足規(guī)范結(jié)構(gòu)彈塑性位移角限制1／120的要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)能抵御8度罕遇地震，且結(jié)構(gòu)X向抗震能力強(qiáng)于Y向。

3.3 轉(zhuǎn)換層高度及其上、下剛度比［7］對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

由于框支剪力墻結(jié)構(gòu)沿豎向剛度發(fā)生突變，底層框—剪結(jié)構(gòu)的延性較差，因此結(jié)構(gòu)的抗震性能較差。為研究如何提高框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，以下在此項(xiàng)目基礎(chǔ)上做以下改變：

（1）通過(guò)改變框支層落地剪力墻墻厚來(lái)改變其轉(zhuǎn)換層上、下剛度比，從中得出轉(zhuǎn)換層上、下剛度比對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響；

（2）改變轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度，即增加轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的層數(shù)，相應(yīng)減少轉(zhuǎn)換層上部剪力墻結(jié)構(gòu)的層數(shù)，而結(jié)構(gòu)總層數(shù)不變，研究不同轉(zhuǎn)換層高度下框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。

對(duì)改變轉(zhuǎn)換層高度、改變框支層剪力墻厚度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，輸入地震波選Taft＿Y。依據(jù)樓層典型節(jié)點(diǎn)位置N9得到X向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)對(duì)比（圖13）、Y向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)對(duì)比（圖14）。

從時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角響應(yīng)結(jié)果可見(jiàn)，降低轉(zhuǎn)換層高度或增加框支層剪力墻的厚度，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)會(huì)減小，層間位移角也隨之變小，尤其對(duì)框支層的位移響應(yīng)有較明顯的改善，兩種調(diào)整均可提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖13 彈塑性時(shí)程分析X向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)對(duì)比Fig.13 The X direction displacement response of structure under elasto-plastic time-history analysis

圖14 彈塑性時(shí)程分析X向結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)對(duì)比Fig.14 The Y direction displacement response of structure under elasto-plastic time-history analysis

4 結(jié) 論

（1）從時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)曲線可以看出，整體上結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角較Y方向的要小，但在下部框支層，結(jié)構(gòu)X方向的最大層間位移角偏大，明顯大于結(jié)構(gòu)上部的層間位移角，體現(xiàn)出框支剪力墻結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，框支層為結(jié)構(gòu)薄弱層。

（2）由時(shí)程分析可知，結(jié)構(gòu)在小震和大震下的最大層間位移角均小于規(guī)范限值；由靜力推覆分析可知，結(jié)構(gòu)在均布、倒三角和振型組合三種不同的加載方式下均能滿(mǎn)足規(guī)范的抗震要求。

（3）從彈塑性靜力推覆pushover分析，結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震下能力譜與需求譜都有交點(diǎn)，而且性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范的要求，表明該結(jié)構(gòu)能抵御8度罕遇地震。

（4）計(jì)算結(jié)果也表明由于裙房在結(jié)構(gòu)Y方向的貢獻(xiàn)使結(jié)構(gòu)在Y向的變形沿豎向變化比較均勻，而結(jié)構(gòu)X向，沒(méi)有裙房貢獻(xiàn)，變形在框支層有突變，可見(jiàn)合理的布置裙房能改善框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度變化也是提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能的一種有效方法。

（5）從彈塑性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角響應(yīng)結(jié)果可見(jiàn)，降低轉(zhuǎn)換層高度或增加框支層剪力墻的厚度，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)會(huì)減小，層間位移角也隨之變小，尤其對(duì)框支層的位移響應(yīng)有最明顯的改善，兩種調(diào)整均可提高框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。

［1］ 呂西林.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.Lu Xilin，Seismic theory and application of complex high-rise structural［M］.Beijing：Building Structure，2007.（in Chinese）

［2］ 呂西林，程明.超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的新發(fā)展［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（2）：99-106.Lu Xilin，Cheng Ming.Recent development of structural systems for super tall building［J］.Structural Engineers，2008，24（2）：99-106.（in Chinese）

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Study on Seism ic Performance Evaluation for Com plicated Framed Shear Wall Tall Building Structure

CHEN Changmei1，2，*QIAN Jiang2CHEN Chengxi3
（1.Tianhua Architecture Planning and Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200235，China；2.State Key Laboratory of Disaater Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200235，China；3.School of Highway，Changan Unirersity，Xi’an 710064，China）

The shearwall structure with supporting frames form some large spaces on ground floor easily，and satisfy more purposes.But this kind of structural system is usually weak on the ground floors，it violates the seismic concept design.A code-exceeding high-rise building structurewith high-level transfer story under construction in Yunnan province is taken as the specific research object in this study.Firstly，a refine finite elementmodel of prototype structure is established.Then，an comprehensive analysis on seismic performance of the structure is given，and the improved capacity spectrum method of the elasto-plastic demand spectrum is used to evaluate the seismic performance of this structure.Finally，the influence of ratio of stiffness between the structure over the transfer storey and under the transfer storey and the heightof transfer storey on the global seismic performance is analysed，with the purpose of offering advice on the design of this kind of structure.

frame-supported shearwall structure，transfer storey，ratio of stiffness，pushover analysis，elastoplastic time-history analysis

2013-08-21

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAJ13B02），自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目課題（91315301-4）*聯(lián)系作者，Email：chenchangmei＿2007＠126.com