部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選擇分析

錢路曦 汪小娣

(浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司 浙江杭州 310007)

0 引言

我國自20世紀(jì)80年代以來，一直以“三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)”作為基本的抗震設(shè)計(jì)方法。隨著建筑高度的持續(xù)增高以及建筑體型的逐漸復(fù)雜化，僅靠提高抗震作用、做經(jīng)驗(yàn)性的內(nèi)力放大、提升構(gòu)件的抗震等級、按等效彈性法進(jìn)行大震變形驗(yàn)算等手段很難精細(xì)地在結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、合理性、經(jīng)濟(jì)性之間找到平衡點(diǎn)。到了20世紀(jì)90年代初，美國加州大學(xué)伯克利分校學(xué)者M(jìn)oehle[1]提出了基于位移的抗震設(shè)計(jì)思想，美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會[2]在此基礎(chǔ)上建立了設(shè)計(jì)不同水準(zhǔn)地震下能達(dá)到預(yù)期性能水準(zhǔn)且能實(shí)現(xiàn)多級性能目標(biāo)建筑的一般框架，基于位移建議了五級性能水準(zhǔn)。經(jīng)過各國學(xué)者共同研究和發(fā)展，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論日趨成熟，逐步被納入各國的抗震規(guī)范，現(xiàn)已被廣泛認(rèn)可。我國2010年頒布的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](以下簡稱《抗規(guī)》)和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4](以下簡稱《高規(guī)》)進(jìn)一步完善和發(fā)展了這種設(shè)計(jì)方法，使我國的抗震設(shè)計(jì)從宏觀定性的目標(biāo)向具體量化的多重目標(biāo)過渡，業(yè)主和設(shè)計(jì)者可根據(jù)項(xiàng)目的重要性、投資額度、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性、修復(fù)難易程度等條件來選擇所需要的性能目標(biāo)。其中《高規(guī)》給出了A、B、C、D四個結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)等級和1、2、3、4、5五個性能水準(zhǔn)，每個性能目標(biāo)均與一組在指定地震地面運(yùn)動下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)相對應(yīng)。在具體的執(zhí)行過程中，文獻(xiàn)[5]指出規(guī)范中抗震性能設(shè)計(jì)方法仍有可改進(jìn)之處，四個抗震性能目標(biāo)等級并不能完全滿足所有結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計(jì)需求。建設(shè)部建質(zhì)〔2015〕67號文件[6]中的第十二條第(三)點(diǎn)也給出了一些調(diào)整抗震性能目標(biāo)的建議。

本文以蘇州華貿(mào)中心B區(qū)某高層服務(wù)型公寓為例，對《高規(guī)》建議的D級抗震性能目標(biāo)做適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)件性質(zhì)細(xì)化抗震性能目標(biāo)要求，按等效彈性法進(jìn)行各水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析，并采用動力彈塑性時程分析法做輔助驗(yàn)證，以此評判抗震性能目標(biāo)是否合適，結(jié)構(gòu)抗震性能是否能達(dá)到預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

1 工程概況

該工程位于蘇州市金門路北側(cè)，東側(cè)緊鄰軌道交通2號線，集金融、總部辦公、商業(yè)零售、文化餐飲、商旅服務(wù)為一體，總建筑面積達(dá)78萬m2，一共分為A、B、C、D四個區(qū)，本文以其中B區(qū)06#樓為例。06#樓地下4層、地上25層，總高度82.100 m，底層為大空間商業(yè)，第二層以上為服務(wù)式公寓。結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土部分框支剪力墻，第二層為轉(zhuǎn)換層，采用型鋼柱+型鋼轉(zhuǎn)換梁體系，其結(jié)構(gòu)平面布置如圖 1所示，轉(zhuǎn)換層以上標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為一級，框支框架抗震等級為一級，非底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級為二級。

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面簡圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面簡圖

1.1 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判定

依據(jù)《抗規(guī)》[3]《高規(guī)》[4]及建設(shè)部建質(zhì)〔2015〕67號文件[6]相關(guān)要求，該工程存在如下的超限情況：

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，位移比超1.4，但小于1.5；

(2)樓板不連續(xù)，有效寬度小于50%；

(3)局部不規(guī)則：二層存在穿層柱；

(4)構(gòu)件間斷：二層為轉(zhuǎn)換層。

針對第(2)點(diǎn)不規(guī)則，這里有必要解釋一下。在圖2虛線框位置每3層會設(shè)置一塊種植平臺，故結(jié)構(gòu)整體性良好，并不算作凹凸不規(guī)則，只有在無種植平臺的樓層存在樓板不連續(xù)情況。

綜合來看，06#樓存在兩項(xiàng)平面不規(guī)則和兩項(xiàng)豎向不規(guī)則，雖然高度未超限，也屬超限高層。

1.2 設(shè)計(jì)中的不利因素

該工程除了具備的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的一般特點(diǎn)，還存在以下幾點(diǎn)特殊之處，會對設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響：

(1)蘇州市為7度區(qū)，根據(jù)《抗規(guī)》表5.1.4-2查表確定場地特征周期為0.45 s。由于本場地等效剪切波速位于Ⅲ、Ⅳ類場地分界線附近，根據(jù)《抗規(guī)》4.1.6條規(guī)定，允許結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過插值法確定地震作用計(jì)算所用的特征周期。根據(jù)實(shí)測剪切波速取最小值164 m/s內(nèi)插法確定，覆蓋層厚度取90 m，經(jīng)插值，該工程場地特征周期取0.54 s。特征周期的增大，意味著地震影響系數(shù)曲線峰值平臺段變寬，造成結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)變大。

(2)由于容積率及規(guī)劃條件等各方因素限值，結(jié)構(gòu)高度定為82.100 m，剛剛越過規(guī)范[4]上部分框支剪力墻抗震等級80 m的分界線，轉(zhuǎn)換層以上底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻軸壓比限值為0.5，在結(jié)構(gòu)總高度沒有增加很多的情況下，剪力墻工程量大幅增加，被轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)自重加大，且結(jié)構(gòu)剛度過大，剪力墻會吸收更多的地震力，進(jìn)一步引起剪力墻截面擴(kuò)大。

(3)1層門廳處局部2層通高，在3層平面存在局部轉(zhuǎn)換，框支柱的受力情況十分復(fù)雜，個別框支柱為超短柱。

1.3 抗震性能目標(biāo)的選取

結(jié)構(gòu)高度約為A級框支剪力墻結(jié)構(gòu)高度限值的80%，按照常規(guī)經(jīng)驗(yàn)看，可選C或D級性能目標(biāo)等級。下文將分析假設(shè)06#樓選用這兩種性能目標(biāo)等級會給設(shè)計(jì)帶來什么影響。

(1)選用C級性能目標(biāo)等級：

①設(shè)防烈度地震下，所有豎向構(gòu)件滿足抗彎不屈服，抗剪彈性?？蚣芰杭斑B梁滿足抗剪不屈服。

②罕遇地震下，框支柱、框支梁、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻應(yīng)滿足抗彎抗剪不屈服。所有豎向構(gòu)件滿足截面抗剪條件。

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在轉(zhuǎn)換層附近存在剛度突變，該區(qū)域是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，但是非底部加強(qiáng)區(qū)樓層受力形式接近常規(guī)的剪力墻結(jié)構(gòu)，所以a偏嚴(yán)。轉(zhuǎn)換層以上底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻需要大量加厚墻體，否則難以滿足b。根據(jù)試算，二層～五層剪力墻需加厚到300 mm～400 mm，混凝土用量比按小震設(shè)計(jì)增加15%左右，用鋼量也大幅增加，這與文獻(xiàn)[7]中所述規(guī)律相符，上文提到的不利因素(2)也會加劇工程量的增加。而且加厚的剪力墻會破壞建筑空間的完整性，造成可售面積減少，這是建設(shè)單位無法接受的。

(1)選用D級性能目標(biāo)等級：

①設(shè)防烈度地震下，框支柱、框支梁、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足抗彎抗剪不屈服。所有豎向構(gòu)件滿足截面抗剪條件。

②罕遇地震下，框支柱、框支梁、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻宜滿足抗彎抗剪不屈服。所有豎向構(gòu)件滿足截面抗剪條件。

根據(jù)上文提到的不利因素(3)，在設(shè)防烈度地震下框支柱按抗彎抗剪不屈服設(shè)計(jì)性能目標(biāo)有些偏低。對于該工程來說，設(shè)防烈度地震下C級和D級目標(biāo)僅有“應(yīng)”和“宜”的差別，看似D級是降低了要求，但是規(guī)范上并沒有明確規(guī)定關(guān)鍵構(gòu)件可以進(jìn)入屈服階段的比例，所以在實(shí)際操作上，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻仍然按抗彎抗剪不屈服進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，工程量大幅增加等問題依然會存在。

本文參考D級性能目標(biāo)，提出具體構(gòu)件性能目標(biāo)，如表1所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

與D級目標(biāo)等級相比，本文提高了框支柱的性能目標(biāo)，降低了底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻性能目標(biāo)，使上文提到的不利因素影響大大降低，解決了二層～五層剪力墻加厚帶來的問題。這樣的性能目標(biāo)究竟合不合理，結(jié)構(gòu)安全性是否能得到保證，需要用分析計(jì)算來驗(yàn)證。

2 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

2.1 分析計(jì)算軟件

采用盈建科軟件進(jìn)行多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)等效彈性計(jì)算分析；采用PKPM-SAUSAGE進(jìn)行彈塑性動力時程分析。

2.2 等效彈性法分析計(jì)算

客觀上講結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)過程是非線性的，目前主流的動力彈塑性時程分析法理論上是最符合實(shí)際情況的，但是由于非線性計(jì)算伴隨著一定的離散性和隨機(jī)性，其計(jì)算結(jié)果很難直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。況且動力彈塑性時程分析前就需要明確各構(gòu)件配筋，根據(jù)彈塑性計(jì)算結(jié)果再次配筋，這不合邏輯。而等效彈性方法是將原彈塑性體系用等效的彈性體系代替，用替代結(jié)構(gòu)反映原來結(jié)構(gòu)的非線性動態(tài)特性。這種方法既考慮了非線性，又能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最廣泛的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

影響結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素是結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、剛度、阻尼，地震過程中可認(rèn)為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不變，主要是結(jié)構(gòu)剛度和阻尼發(fā)生了變化。表2給出了3個水準(zhǔn)地震作用工況下包括連梁剛度折減系數(shù)、結(jié)構(gòu)阻尼比等幾個重要參數(shù)。表3以及圖3～圖5為等效彈性分析的主要計(jì)算結(jié)果。地震作用越大，結(jié)構(gòu)剛度退化越明顯，進(jìn)入彈塑性變形的比例也越大，故中大震下，結(jié)構(gòu)阻尼比相比小震有所增加，連梁剛度折線系數(shù)有所降低。

表2 等效彈性法計(jì)算各水準(zhǔn)地震作用工況的計(jì)算參數(shù)

表3 等效彈性法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)

圖3 多遇地震各樓層層間位移角

圖4 設(shè)防烈度地震各樓層層間位移角

圖5 罕遇地震各樓層層間位移角

基底剪力是反應(yīng)結(jié)構(gòu)所受地震作用大小的一個重要指標(biāo)。從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出，中震作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力是小震的2.7倍～2.8倍，大震作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力是小震的5.0倍～5.3倍。對于結(jié)構(gòu)總高度不高，以低階振型為主的結(jié)構(gòu)來說，等效彈性法計(jì)算所得基底剪力放大的倍數(shù)約等于上部結(jié)構(gòu)的地震力放大系數(shù)。所以如果該工程底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻按大震不屈服設(shè)計(jì)，那么橫截面面積會變得非常大，用鋼量也會成倍增加，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性均會變差。表3中的其余計(jì)算指標(biāo)以及圖3～圖5的層間位移角曲線均滿足規(guī)范要求。從配筋計(jì)算結(jié)果看，各水準(zhǔn)地震作用工況下，框支柱的配筋相差不多，剪力墻的配筋與基底剪力成線性關(guān)系。

2.3 中震偏拉驗(yàn)算

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)由于存在轉(zhuǎn)換層上下剛度突變，中震偏拉驗(yàn)算顯得尤為重要。計(jì)算結(jié)果顯示，個別墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，該工程按圖6所示將局部剪力墻做加厚處理，將此構(gòu)件的抗震等級提升到特一級，并在邊緣構(gòu)件范圍內(nèi)設(shè)置型鋼，以避免剪力墻在地震作用下嚴(yán)重開裂而喪失抗剪承載力。

圖6 約束邊緣構(gòu)件

2.4 動力彈塑性時程分析

上文提到動力彈塑性時程分析并不適合用于直接設(shè)計(jì)，但可以作為等效彈性設(shè)計(jì)法的一個重要補(bǔ)充。文獻(xiàn)[8]提到等效彈性法存在兩點(diǎn)缺陷：一是阻尼比的增加程度和連梁折減系數(shù)大小估計(jì)不準(zhǔn)(不同連梁的折減程度及分布規(guī)律也是不同的)； 二是內(nèi)力重分布的機(jī)制不能合理模擬，這將導(dǎo)致一些重要構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可能不準(zhǔn)確，并且偏于保守還是偏于危險也無法估計(jì)。動力彈塑性時程分析可以從宏觀上對結(jié)構(gòu)的抗震性能做出評價，計(jì)算模型考慮構(gòu)件損傷后剛度的退化和內(nèi)力重分布，從而驗(yàn)證等效彈性設(shè)計(jì)的可靠性。

計(jì)算選用2條天然波(TRB2:TH087TG055;TRB3:TH038TG055)以及1條人工波(RGB1,RH2TG055)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

表4 各組地震波作用下彈塑性大震計(jì)算結(jié)果匯總表

圖7～圖9為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震作用下(Y主方向)的損傷情況。

圖7 全樓剪力墻受壓損傷云圖(東南等軸測圖)

圖8 一層剪力墻(包括連梁)受壓損傷云圖

圖9 剪二層～三層剪力墻(包括連梁)受壓損傷云圖

圖10 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時程曲線(TRB2-Y)

根據(jù)表4以及圖7～圖10，可得出如下結(jié)論：

(1)每條地震波的彈塑性基底總剪力為同方向反應(yīng)譜CQC計(jì)算結(jié)果的65%～135%，3條地震波基地剪力的平均值為CQC的80%～120%，滿足規(guī)范要求。

(2)彈性和彈塑性的最大層間位移角滿足規(guī)范要求且數(shù)值接近，表明結(jié)構(gòu)總體發(fā)生剛度退化和進(jìn)入非線性的程度較低，和圖7～圖9剪力墻損傷云圖的規(guī)律相符，即連梁普遍損傷較大，剪力墻損傷較小，這也進(jìn)一步說明在大震等效彈性分析時連梁剛度折減系數(shù)取0.3是合適的。

(3)轉(zhuǎn)換構(gòu)件在罕遇地震作用下，基本無損壞或損傷程度處于輕微至輕度損傷狀態(tài)，梁端個別混凝土單元的某些積分點(diǎn)上發(fā)生重度損傷，但整個構(gòu)件能控制在中度損傷范圍內(nèi)。

(4)從圖10可以看出，在開始階段(0～30s)，彈塑性時程分析的基底剪力與彈性時程分析頂點(diǎn)位移曲線基本重合。30s以后，前者周期逐步變長，說明有部分構(gòu)件累積損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度退化。

(5)轉(zhuǎn)換層以上底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻損傷程度較輕，說明按中震工況計(jì)算控制的剪力墻數(shù)量已足夠多，無需再按大震不屈服設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文針對部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)類型提出了區(qū)別于《高規(guī)》的性能目標(biāo)，用等效彈性法對具體工程實(shí)例進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并用彈塑性時程分析對前者的結(jié)果加以驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果顯示:06#樓結(jié)構(gòu)布置合理，具有良好的抗震性能，能滿足預(yù)期性能目標(biāo)的要求。對于結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的選擇，本文有以下建議：

(1)《高規(guī)》所列的四級抗震性能目標(biāo)等級涵蓋了所有結(jié)構(gòu)類型，是可行的但未必是最合適的，抗震性能目標(biāo)可根據(jù)項(xiàng)目本身的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

(2)框支框架是部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中最為重要的部分，應(yīng)當(dāng)采用比D級更高的性能目標(biāo)，其中框支柱可按中震彈性設(shè)計(jì)，框支梁按中震抗彎不屈服、抗剪彈性設(shè)計(jì)，且均應(yīng)滿足大震下最小抗剪截面要求。提升框支框架的抗震性能目標(biāo)對工程量影響較小。

(3)轉(zhuǎn)換層以上底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，但如按大震不屈服設(shè)計(jì)，混凝土用量將增大15%左右，用鋼量也將大幅增加，對工程的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性影響較大，需慎重對待?？筛鶕?jù)彈塑性時程分析結(jié)果來判斷是否可以適當(dāng)降低其抗震性能目標(biāo)。