某高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震分析

王京輝， 沈小璞

（1.廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 ；2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 ）

1 工程概況

本工程是海南澄邁富力紅樹(shù)灣C－01區(qū)希爾頓逸林酒店，位于海南澄邁縣北部，美浪瀉湖南側(cè)，分為南塔和北塔2棟塔樓，各棟之間通過(guò)防震縫分開(kāi)，均為半地下室1層，地上12層的高層獨(dú)棟塔樓，總高度為43.5m。以南塔為例，半地下室層高為6.0m，首層層高為7.0m，二層層高為4.1m，其余層高為3.6m。轉(zhuǎn)換層位于二層樓面。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓按50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值 W0＝0.80KN／m2，地面粗糙度類別為 A 類［1］。

2.2 抗震等級(jí)

抗震等級(jí)詳表1［2］，［3］。

表1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置和選型

本工程南塔高度為43.5m，半地下室，地面以上12層。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.6m，屋面構(gòu)架層高2.9m，框支層層高為7.0m，半地下室層高為6.0m。采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)建筑使用功能的要求，在二層做轉(zhuǎn)換層。剪力墻截面沿高度變化，厚度為200mm～700mm；框支柱截面為1200mm×1200mm；轉(zhuǎn)換梁截面為1200mm×2200mm、1200mm ×2000mm、1000mm ×2200mm、800mm×2000mm、800mm×1800mm。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50；梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、C40、C50［4］。

樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的板厚為100mm、120mm。將與轉(zhuǎn)換層相鄰樓層的樓板加強(qiáng)，首層板厚為180mm，二層（轉(zhuǎn)換層）板厚為180mm，三層板厚為120mm，有利于傳遞水平力及提高轉(zhuǎn)換層的整體性。圖1、圖2、圖3分別為結(jié)構(gòu)整體模型及轉(zhuǎn)換層平面圖和標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型

圖2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面圖

3.2 結(jié)構(gòu)整體彈性分析

在MIDAS分析程序中，梁和框支柱（框架柱）采用梁?jiǎn)卧?，板采用板單元，剪力墻采用墻單元?/p>

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

本工程采用SATWE和MIDAS程序進(jìn)行多遇地震作用下的整體內(nèi)力和位移計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算的嵌固端在基礎(chǔ)面，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SATWE和MIDAS分析結(jié)果對(duì)比

3.3 彈性時(shí)程分析

按規(guī)范要求，8度抗震設(shè)防的帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算［2］。本文采用SATWE程序進(jìn)行多遇地震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析。按地震波三要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間）［3］，SATWE選?、蝾悎?chǎng)地上兩組實(shí)際地震記錄天然波1（TH2TG035）和天然波2（TH4TG035）和一組人工波（RH1TG035）進(jìn)行彈性時(shí)程分析。圖4和圖5分別是彈性時(shí)程分析得到的層間位移角和樓層剪力圖。反應(yīng)譜與時(shí)程分析基底剪力結(jié)果比較見(jiàn)表3。

圖4 地震波作用下層間位移角

圖5 地震波作用下樓層剪力

由圖4可看出，結(jié)構(gòu)在天然波1（TH2TG035）作用下的X向?qū)娱g位移角最大值為0.001，與規(guī)范的限值1／1000相等，在天然波2（TH4TG035）、人工波（RH1TG035）和規(guī)范反應(yīng)譜作用下，不論X向和Y向的層間位移角均小于規(guī)范限值，說(shuō)明天然波1（TH2TG035）對(duì)結(jié)構(gòu)起主要控制作用。由表3可以看出，在地震作用下的時(shí)程計(jì)算結(jié)果平均值與振型分解反應(yīng)譜結(jié)果較接近，但根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)取三組時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)宜取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值，故在施工圖設(shè)計(jì)中將反應(yīng)譜放大1.19倍進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，框支轉(zhuǎn)換層樓板是重要的傳力構(gòu)件，不落地剪力墻的剪力需要通過(guò)轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地剪力墻，為保證樓板能可靠傳遞面內(nèi)相當(dāng)大的剪力（彎矩）［2］，按規(guī)范要求，取板厚為180mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C50（ft＝1.89MPa［5］），配筋為雙層雙向 φ12＠200。用MIDAS程序?qū)D(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，分析時(shí)采用彈性膜（僅考慮樓板平面內(nèi)剛度和不考慮平面外剛度）來(lái)模擬彈性樓板［6］，用以驗(yàn)算設(shè)計(jì)是否滿足要求。查看以下荷載組合下的樓板應(yīng)力：1）1.2恒荷載＋1.4活荷載；2）1.35恒荷載＋0.98活荷載；3）1.2恒荷載＋0.6活荷載＋1.3地震荷載；4）1.2恒荷載＋0.6活荷載－1.3地震荷載。圖6和圖7分別為轉(zhuǎn)換層樓板X向和Y向最大應(yīng)力云圖。

圖6 轉(zhuǎn)換層樓板X向應(yīng)力云圖

圖7 轉(zhuǎn)換層樓板Y向應(yīng)力云圖

由圖6和圖7可知，轉(zhuǎn)換層樓板由于開(kāi)洞少，整體性好，在多遇地震作用下，絕大部分區(qū)域樓板面內(nèi)拉應(yīng)力均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ft＝1.89MPa），且應(yīng)力集中部位多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換梁區(qū)域附近。

3.5 轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分析

由圖2可以看出，本工程為框支梁承托剪力墻并承托轉(zhuǎn)換次梁及其上剪力墻，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，按應(yīng)力校核配筋，并加強(qiáng)構(gòu)造措施［7－8］。用MIDAS程序?qū)D(zhuǎn)換梁進(jìn)行應(yīng)力分析［9－10］，查看以下荷載組合下的轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力：1）1.2恒荷載＋1.4活荷載；2）1.35恒荷載＋0.98活荷載；3）1.2恒荷載＋0.6活荷載＋1.3地震荷載；4）1.2恒荷載＋0.6活荷載－1.3地震荷載。以（Bc～Bg）軸×（B10～B13）軸的轉(zhuǎn)換梁為例，圖8和圖9分別為轉(zhuǎn)換梁X向和Y向局部最大應(yīng)力云圖。

圖8 轉(zhuǎn)換梁X向局部應(yīng)力云圖

圖9 轉(zhuǎn)換梁Y向局部應(yīng)力云圖

由圖8和圖9可知，轉(zhuǎn)換梁截面受拉區(qū)域較大，在多遇地震作用下，大多數(shù)拉應(yīng)力均大于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（ft＝1.89MPa［3］），需要由鋼筋來(lái)承受，在施工圖設(shè)計(jì)中按MIDAS程序分析出的應(yīng)力和計(jì)算結(jié)果來(lái)校核SATWE的計(jì)算結(jié)果，以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工程采用SATWE，MIDAS兩種程序進(jìn)行整體彈性對(duì)比分析并補(bǔ)充多遇地震作用下彈性時(shí)程分析及轉(zhuǎn)換梁、樓板的應(yīng)力有限元分析，計(jì)算分析結(jié)果表明，通過(guò)彈性時(shí)程補(bǔ)充計(jì)算，在施工圖設(shè)計(jì)中需要對(duì)振型分解反應(yīng)譜放大1.19倍進(jìn)行設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分析表明設(shè)計(jì)中取的樓板厚度和配筋滿足設(shè)計(jì)要求；轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分析表明轉(zhuǎn)換梁截面受拉區(qū)域較大，拉力需要由受力鋼筋來(lái)承受，且需要按MIDAS程序分析出的應(yīng)力和計(jì)算結(jié)果來(lái)校核設(shè)計(jì)。

1 GB 50009－2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

2 JGJ 3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

3 GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

4 呂 鵬.深某帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).建筑結(jié)構(gòu)［J］，2013（42）：66－69.

5 GB 50010－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

6 陳 虎.深圳某框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震分析.建筑結(jié)構(gòu)［J］，2012（43）：84－89.

7 韓小雷，季 靜.基于性能的超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)－理論研究與工程應(yīng)用結(jié)構(gòu) ［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

8 朱丙寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)答及分析（第2版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

9 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.結(jié)構(gòu)大師非線性分析［M］.2009.

10 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.midas building工程實(shí)例分析與疑問(wèn)解答［M］.2013.