帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)探析

楊成明

（安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)是下層基礎(chǔ)較弱，因此，對(duì)于建筑抗震性能的實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。相對(duì)于普通框架剪力墻高層建筑來說，帶高位轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)方面的研究還不完善。隨著人們對(duì)建筑物的需求越來越多元化，帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)建筑項(xiàng)目會(huì)逐漸增多，為確保建筑性能及安全，完善其彈塑性地震反應(yīng)研究非常必要。

1 工程案例背景簡(jiǎn)介

某商住兩用高層建筑項(xiàng)目標(biāo)高95.2 m，分為地上32層、地下2層，總建筑面積為28 621.7 m2，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)防裂度為7度、Ⅰ組，設(shè)計(jì)基本加速度為0.1 g，建筑承受基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2。該項(xiàng)目為典型的帶高位轉(zhuǎn)換層框支剪力墻結(jié)構(gòu)，其中地面以上4層為傳統(tǒng)的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，另28層為剪力墻結(jié)構(gòu)，4層樓面為梁式轉(zhuǎn)換層，對(duì)上層建筑體提供支持。在設(shè)計(jì)過程中，盡量減少復(fù)雜的轉(zhuǎn)換工序，但最終方案中依然包括3次梁轉(zhuǎn)換，除此之外，其他部分的剪力墻均直接落于梁結(jié)構(gòu)上?？偟膩碚f，該工程結(jié)構(gòu)中的梁轉(zhuǎn)換次數(shù)較多，但轉(zhuǎn)換的跨度有限，并存在次梁轉(zhuǎn)換和同一柱結(jié)構(gòu)上存在雙轉(zhuǎn)換梁的問題。其中，主梁和次梁的轉(zhuǎn)換跨度的最大值分別在8.2 m和5.5 m。

該工程選擇提高下3層框架剪力墻的厚度，并確保每層的剛心和質(zhì)心重合。 由于建筑電梯間所處位置墻體密度較大、 剛度有所保證，因此無須進(jìn)行墻體加厚處理。其他部分墻體厚度在350～400 mm。為了讓轉(zhuǎn)換層部分性能的過渡更加流暢，選擇將第4～7層結(jié)構(gòu)的墻體也進(jìn)行加厚處理。其中第4、5層的剪力墻厚度依照結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)為200、250、350 mm不等；第6層剪力墻設(shè)計(jì)為200 mm和250 mm；第7層為200 mm。加大框支柱的橫截面積，增加后柱截面的寬度在900～1 000 mm，承受雙轉(zhuǎn)換梁的柱截面積最高為1 000 mm×3 200 mm。雖然該設(shè)計(jì)方法會(huì)在一定程度上影響建筑整體美觀性，但為確保建筑性能必須如此。用于承托支轉(zhuǎn)換梁的柱截面積在500 mm×1 800 mm、500 mm×2 000 mm、5 000 mm×2 200 mm不等。位于轉(zhuǎn)換層的樓板厚度設(shè)計(jì)為180 mm，以確保其荷載能力。

2 帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)分析

發(fā)生較強(qiáng)地震時(shí)，抗震性表現(xiàn)最薄弱的是與轉(zhuǎn)換層相連接的框支剪力墻銜接層，沿樓層變化的抗側(cè)剛度是導(dǎo)致地震中建筑出現(xiàn)局部破損的主要原因。在計(jì)算時(shí)，需將轉(zhuǎn)換層當(dāng)作主體結(jié)構(gòu)的一部分，使用相應(yīng)的計(jì)算模型，對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析。該項(xiàng)目使用的計(jì)算程序?yàn)镸DAS和STAWE，計(jì)算過程中涉及的參數(shù)包括：結(jié)構(gòu)重要程度=1、振型=36、活荷載折減系數(shù)=0.5、阻尼比=0.05、地震修正系數(shù)=1、周期折減系數(shù)=0.8，其中振型貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法為CQC，并使用SRSS法計(jì)算雙向地震扭轉(zhuǎn)組合。最終得出主要彈性的具體數(shù)據(jù)，并與行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比 （行業(yè)要求轉(zhuǎn)換層上下銜接部分的剛度應(yīng)盡量相同，且兩部分的剛度比應(yīng)≤1.3，轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度至少為與其連接的上部樓層的60%），發(fā)現(xiàn)方案中的各項(xiàng)彈性數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。再就兩種計(jì)算程序得出的結(jié)論相對(duì)比，結(jié)果大致相同，因此可以判定，對(duì)帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)建筑的空間性能進(jìn)行分析，其結(jié)果可真實(shí)反映結(jié)構(gòu)受內(nèi)力和形變狀況。

2.2 高位轉(zhuǎn)換層分析

轉(zhuǎn)換層之下采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層之下的層數(shù)越多，其高度越大，在受外力時(shí)，發(fā)生的剛度突變就越明顯，內(nèi)力在樓層間傳遞途徑的波動(dòng)程度和位移角變動(dòng)也會(huì)更為劇烈。這一特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層的剛度小于上層結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)換層變?yōu)椤翱拐鸨∪鯇印?，?dǎo)致建筑抗震設(shè)計(jì)無法很好地與下層框支剪力墻結(jié)構(gòu)相適應(yīng)[1]。因此在工程設(shè)計(jì)階段，要盡量減少轉(zhuǎn)換層上下兩部分間的測(cè)量剛度突變程度，保證建筑整體的抗震性、抗風(fēng)壓性達(dá)到相關(guān)要求。

在本案例中，使用以下方法對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況進(jìn)行研究：使用單位空間法分析整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并得出各部分構(gòu)件的內(nèi)力情況和配筋情況；分析轉(zhuǎn)換梁周圍樓層的平面有限元，獲取詳細(xì)信息，得出配筋情況，該過程的分析對(duì)象為位于底層框架和框支層以上的墻體部分，共計(jì)4層；每300 mm劃分有限單元；將增大系數(shù)設(shè)為1.2。在對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析之后，結(jié)合設(shè)計(jì)要求做出以下處理：

第一，框架的抗震等級(jí)為特一級(jí)，軸壓比控制在0.5之內(nèi)，對(duì)軸壓比大于0.5框支柱，在其中芯加設(shè)縱向鋼筋，并要求縱向鋼筋的界面截面大于柱截面的1%，適當(dāng)增加配箍率，以確?？蛑е軌蛱峁┳銐虻目棺冃文芰Α５诙?，框支梁承受的荷載主要來自剪力，小墻肢的應(yīng)力集中非常嚴(yán)重，導(dǎo)致與小墻肢安裝邊門洞相結(jié)合的框支梁受到過高的應(yīng)力。當(dāng)出現(xiàn)水平荷載時(shí)，這部分框支梁的彎矩和剪力會(huì)達(dá)到普通框支梁的3倍左右。為處理這一問題，選擇提高小墻肢和與邊門洞相連框支梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，并提高箍筋的配置密度。第三，將框支柱的配筋率控制在1.5%～2.0%，框支梁的配筋率以1%為最佳，確保上下部位的縱筋相同。在框支梁中加設(shè)抗收縮及溫度應(yīng)力的鋼筋。第四，為提高轉(zhuǎn)換層之下結(jié)構(gòu)的延展性，選擇三級(jí)鋼筋作框支柱、框支梁等主要結(jié)構(gòu)，選擇機(jī)械焊接的方式進(jìn)行縱向連接?？蛑Я汗?jié)點(diǎn)處的鋼筋分布較密，為給施工作業(yè)提供便利，可選擇使用直徑較大、強(qiáng)度較高的鋼筋。做好混凝土振搗工作。第五，在框支層，使用鋼纖維混凝土制作墻結(jié)構(gòu)和柱結(jié)構(gòu)，每立方混凝土中添加75 kg鋼纖維，結(jié)構(gòu)的抗拉性能可提高40%左右，抗剪性能可提高50%。在實(shí)際施工中，將鋼纖維混凝土與一般混凝土混合使用，還可用于結(jié)構(gòu)加固，無須使用其他加固措施[2]。本項(xiàng)目地下2層結(jié)構(gòu)中，剪力墻使用較多，抗震性能可靠，因此無須再使用鋼纖維混凝土。

3 帶高位轉(zhuǎn)換層的框支剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜性較高，選用MDSS程序?qū)Y(jié)構(gòu)彈塑性靜力進(jìn)行分析。研究在7級(jí)地震下，結(jié)構(gòu)的薄弱位置。以基本振型進(jìn)行側(cè)向加載，先對(duì)由重力產(chǎn)生的荷載進(jìn)行非線性分析，再逐漸增加荷載，分析結(jié)構(gòu)的彈塑性。

3.1 檢測(cè)過程

結(jié)構(gòu)的第一振型在X方向，第二振型在Y方向，分別使用模態(tài)1和2對(duì)X、Y向進(jìn)行加載，得出推覆曲線[3]。該曲線展示了過程中，結(jié)構(gòu)X向和Y向頂點(diǎn)位移情況。如圖1所示，當(dāng)0≤H≤1 000時(shí)，兩個(gè)方向頂點(diǎn)位移曲線基本為直線，之后略微向下傾斜，并出現(xiàn)第一批塑性鉸。隨著H的增加，曲線的下降趨勢(shì)更加明顯，彈塑性增強(qiáng)。X向的頂點(diǎn)處于H=1/120時(shí)，推覆曲線開始遞減。但此時(shí)，Y向的曲線依然為上升狀態(tài)。由此可以看出，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)推性能相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)頂點(diǎn)的位置達(dá)到H=1/100時(shí)，曲線開始下降。

圖1 剪力-頂點(diǎn)位移曲線

再對(duì)需求普與能力譜之間的關(guān)系進(jìn)行分析，從X向和Y向的推覆曲線推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)下部剪力與位移之間的關(guān)系曲線，并將其轉(zhuǎn)換為地震反應(yīng)普，將兩曲線呈現(xiàn)于同一坐標(biāo)軸當(dāng)中。計(jì)算性能點(diǎn)。在X方向，性能點(diǎn)為Sa=0.061，Sd=320。在T方向，性能點(diǎn)為Sa=0.063，Sd=217。X向和Y向的能力普分別相交于7級(jí)地震需求普曲線，說明結(jié)構(gòu)的抗震性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，建筑能夠承受7級(jí)地震的侵襲，且結(jié)構(gòu)的延性較佳。在推覆曲線中找到X向和Y向性能點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，得到X向：V=18 166 kN、D=446 mm；Y向：V=17 476 kN、D=320 mm。即X向的最大層間位移角在12層，最大彈塑性層間位移角為1/123，Y向的最大層間位移角在20層，最大彈塑性層間位移角為1/185，兩個(gè)方向的最大彈塑性層間位移角均未超過1/120，因此滿足發(fā)生地震時(shí)對(duì)于位移角的要求。需要關(guān)注的是，出現(xiàn)小震和大震時(shí)，結(jié)構(gòu)的形變情況存在較大差異，發(fā)生罕遇地震時(shí)結(jié)構(gòu)的薄弱部分在中部。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

將對(duì)X向和Y向的加載分為四個(gè)階段。第一階段，荷載達(dá)到輕微地震程度，結(jié)構(gòu)中只有很少的構(gòu)件出現(xiàn)屈服，但從整體看，推覆曲線依然為直線，結(jié)構(gòu)彈性未受到明顯影響。第二階段，荷載逐漸從輕微地震達(dá)到中等級(jí)別，兩個(gè)方向的連梁和部分框架梁、X向的中層剪力墻和少量未落地的剪力墻、Y向的中層剪力墻出現(xiàn)屈服。整體結(jié)構(gòu)的剛度受到影響，此時(shí)推覆曲線出現(xiàn)彎曲。第三階段，荷載上升到罕見地震程度，達(dá)到性能點(diǎn)，兩方向水平構(gòu)件中出現(xiàn)屈服的數(shù)量明顯增加，并從結(jié)構(gòu)的中間部位向上下兩端擴(kuò)散。其中，X向出現(xiàn)屈服的剪力墻分布比較集中，其他在轉(zhuǎn)換層之下的豎向構(gòu)件均未出現(xiàn)屈服。相對(duì)于X向，Y向的框架梁、框架柱等構(gòu)件出現(xiàn)屈服的數(shù)量更多。第四階段，到檢測(cè)結(jié)束時(shí)，結(jié)構(gòu)中大部分水平構(gòu)件和部分縱向構(gòu)件已出現(xiàn)屈服。位于轉(zhuǎn)換層之下的構(gòu)件屈服主要集中在西北角。

連梁作為結(jié)構(gòu)中的耗能構(gòu)件，出現(xiàn)塑性變形的程度較大，尤其在結(jié)構(gòu)的中層位置。落地剪力墻是結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，幾乎未出現(xiàn)變形，依然處于彈性較佳的狀態(tài)。轉(zhuǎn)換層之下的框支結(jié)構(gòu)剛開始進(jìn)入變形狀態(tài)，發(fā)生的程度較小。在罕遇地震時(shí)，該工程中的部分構(gòu)件雖然已經(jīng)遭到破壞，但并未出現(xiàn)較大面積的坍塌問題，抗震目標(biāo)基本可以實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

對(duì)高位轉(zhuǎn)換層框支剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中抗震性能薄弱的位置，并加以鞏固和增強(qiáng)。本文針對(duì)遭破壞較為嚴(yán)重的轉(zhuǎn)換層下部的框支剪力墻和框架柱進(jìn)行加固處理。決定提高西北角破壞較嚴(yán)重剪力墻的強(qiáng)度，并提高柱的截面積和配筋率，設(shè)置更為密集的箍筋。在框架柱部分同樣設(shè)置更多箍筋。