細(xì)長剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

司海玉

（東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230041）

1 工程概況

取某采用細(xì)長剪力墻結(jié)構(gòu)的已建高層住宅建筑為研究對象。該工程建設(shè)于安徽合肥，地上24層，地下1層。本工程抗震設(shè)防基本烈度為7度0.10g，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑物場地類別為II類，場地特征周期為 0.35s；基本風(fēng)壓：W0＝0.60kN/m2（承載力設(shè)計(jì)時按基本風(fēng)壓的1.1倍采用），地面粗糙度類別：B類；基本雪壓：0.60kN/m2。

2 細(xì)長剪力墻的彈性分析

2.1 SATWE計(jì)算結(jié)果分析

采用兩種不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件PKPM進(jìn)行小震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析，計(jì)算結(jié)果如下：

① 周 期 T1=1.5511s(平 動 系 數(shù) 為0.99)、T2=1.4981s(平動系數(shù)為 0.98)、T1=1.2406s(平動系數(shù)為 0.03)，周期比為0.80＜0.9；

②考慮偶然偏心的地震作用，本工程X向最大層間位移比為1.14（26層），Y向最大層間位移比為1.14（16層），兩者均滿足《高規(guī)》[2]3.4.5條的要求；

③查看SATWE計(jì)算結(jié)果位移輸出文件，在地震作用下，X方向的最大層間位移角為1/2974，所在層號為第13層，Y方向的最大層間位移角為1/3128，所在層號為第18層，兩者均滿足《高規(guī)》對結(jié)構(gòu)的水平位移限值和舒適度的要求；

④該結(jié)構(gòu)不存在側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)和樓層承載力突變中的任何一個，故判斷本工程無薄弱層；

⑤本工程剪力墻抗震等級為三級，按照規(guī)范，三級要求軸壓比不能超過0.6。 對 第 十 層（標(biāo) 準(zhǔn) 層 ，墻 厚 為160mm）的剪力墻軸壓比分布在0.27～0.40，且85%分布在0.27～0.34的范圍內(nèi)，可見各墻肢軸壓比比較接近，每一道剪力墻都能夠充分發(fā)揮其作用。

綜上可知，該結(jié)構(gòu)在多遇地震下包括承載力驗(yàn)算和彈性變形計(jì)算在內(nèi)的彈性計(jì)算結(jié)果均能滿足《抗規(guī)》[3]、《高規(guī)》的要求。

2.2 彈性動力時程分析

2.2.1 地震波的選擇

此時進(jìn)行彈性動力時程分析的主要目的是篩選出適合的地震波，從而為下一步的罕遇地震彈塑性動力時程分析做基礎(chǔ)工作。高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析采用的地震波有人工模擬地震波、典型的強(qiáng)震記錄和場地的實(shí)際地震記錄[4]。地震波選取步驟按文獻(xiàn)[5]。

查SATWE軟件輸出的“周期、振型、地震力”文本文件（WZQ.OUT）,得本工程X向基底剪力為3509.78kN，Y向基底剪力為3839.42kN。

該工程場地類別為II類場地土，其對應(yīng)的特征周期T=0.35s，在計(jì)算罕遇地震作用時，特征周期應(yīng)增加0.05s。根據(jù)這兩個條件，選擇兩條人工波、六條天然波進(jìn)行試算。該八條地震波的波譜與規(guī)范譜的對比圖如圖1（a）所示。根據(jù)該要求篩選出兩條天然波TH4TG040、TAF-2以及一條人工波RH4TG040。該三條波的波譜與規(guī)范譜的對比圖如1(b)所示。各地震波的相關(guān)參數(shù)如表1所示，加速度時程圖分別如圖2～圖4所示。

圖1 規(guī)范譜與地震波譜對比圖

地震波參數(shù) 表1

圖2 地震波加速度時程圖（RH4TG040）

圖3 地震波加速度時程圖（TH4TG040）

圖4 地震波加速度時程圖（TAF-2）

經(jīng)計(jì)算得這三條波及反應(yīng)譜法在X向、Y向所計(jì)算的基底剪力和基底彎矩如表2所示。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，所選擇的地震波的時程分析結(jié)果滿足《高規(guī)》

4.3.5 條2款的要求。

2.2.2 彈性動力時程分析結(jié)果

①三條地震波計(jì)算的結(jié)構(gòu)X、Y向最大層間位移及位移角如圖5、圖6所示。

從表2和圖5、圖6可知，振型分解反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果均大于采用彈性動力時程分析的計(jì)算結(jié)果，所以振型分解法的計(jì)算結(jié)果滿足要求。

TH4TG040、RH4TG040、TAF-2及平均基底剪力在X、Y的計(jì)算結(jié)果 表2

圖5 結(jié)構(gòu)X向最大層間位移及位移角曲線

圖6 結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移及位移角曲線

②三條地震波的最大層間位移角如表3所示。

三條地震波的最大層間位移角 表3

分析以上數(shù)據(jù)可知，該結(jié)構(gòu)平面布置和剛度分布都比較規(guī)則。X向結(jié)構(gòu)的最大層間位移比主要出現(xiàn)在第19層，Y結(jié)構(gòu)的最大層間位移比主要出現(xiàn)在第24層，計(jì)算結(jié)果均小于《高規(guī)》規(guī)定的1/1000；在X向、Y向的位移比分別為1.18、1.17；其周期比為 0.73，這說明結(jié)構(gòu)的位移及抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng)都比較好。

3 細(xì)長剪力墻的靜力彈塑性分析

本工程采用PKPM-PUSH進(jìn)行分析。

3.1 X向彈塑性靜力推覆分析

①罕遇地震下結(jié)構(gòu)的需求曲線、能力曲線及抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 X向罕遇地震下結(jié)構(gòu)的需求曲線、能力曲線及抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果

圖7中，加速度需求譜曲線與周期-最大層間位移角曲線的交點(diǎn)即為性能點(diǎn)。該工程的需求層間位移角為1/599，小于《高規(guī)》規(guī)定的限值1/120，滿足在罕遇地震作用下規(guī)范規(guī)定的要求，這表明該結(jié)構(gòu)具有足夠大的強(qiáng)度和剛度，在罕遇地震下不會發(fā)生倒塌破壞。

②與性能點(diǎn)相對應(yīng)的總加載步號為29，所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)主方向位移、主方向剪應(yīng)變曲線和主方向位移角如圖8所示。

圖8 第29加載步所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)主方向位移、主方向剪應(yīng)變曲線和主方向位移角

根據(jù)上述結(jié)果，本工程罕遇地震作用下，層間位移和層高的關(guān)系基本為線性，位移角和剪應(yīng)變在結(jié)構(gòu)高度中部以下呈線性遞增的狀態(tài)，而在結(jié)構(gòu)中部出現(xiàn)拐點(diǎn)，中部以上則呈現(xiàn)遞減狀態(tài)。X主方向最大層間位移為98.50mm，出現(xiàn)在頂層；最大層間位移角為1/599，所對應(yīng)的層號為第11層。

③第29加載步所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)桿端塑性狀態(tài)如圖9所示。

圖9 第29加載步所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)桿端塑性狀態(tài)

通過圖9可以發(fā)現(xiàn)，剪力墻、梁端等部位都出現(xiàn)較多的塑性鉸，此結(jié)果說明結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)處于彈塑性階段（黃色表示曾經(jīng)出現(xiàn)的塑性鉸，紅色表示當(dāng)前加載步的塑性鉸）；較大部分的塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的底部，說明結(jié)構(gòu)底部為薄弱部位，在設(shè)計(jì)時應(yīng)特別考慮。

④在性能點(diǎn)處，第11層的位移-荷載、位移角-荷載、剪應(yīng)變-荷載曲線如圖10所示。

圖10 性能點(diǎn)處，第11層的位移-荷載、位移角-荷載、剪應(yīng)變-荷載曲線

由于篇幅所限，本文未列出Y向彈塑性靜力（動力）推覆分析結(jié)果，其結(jié)果與X向的類似。

圖11 X向最大樓層位移、最大層間位移角及最大有害位移曲線

綜上，在罕遇地震作用下，該采用細(xì)長剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅建筑在各樓層剛度分布比較均勻,沒有出現(xiàn)較為明顯的薄弱層；該結(jié)構(gòu)體系的變形形態(tài)為彎剪型，過渡層以上剪力起主導(dǎo)作用,過渡層以下則由彎矩控制。因此建議在該結(jié)構(gòu)在過渡層以上部分重點(diǎn)考慮抗剪，過渡層以下部分重點(diǎn)考慮抗彎，而在過渡層部位則需要同時考慮抗彎抗剪加強(qiáng)。

4 細(xì)長剪力墻的彈塑性動力時程分析

4.1 X向彈塑性動力時程分析

在其X主方向用PKPM-EPDA軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動力分析,結(jié)果如下:

①在罕遇地震作用下，三條地震波在X主方向產(chǎn)生的最大樓層位移、最大層間位移角及最大有害位移曲線如圖11所示；

②在罕遇地震作用下，三條地震波產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)塑性分布如圖12所示。

圖12 X向最大層間位移角時刻的結(jié)構(gòu)裂縫和塑性鉸分布圖

4.2 罕遇地震作用下的變形驗(yàn)算結(jié)果

本工程在三條地震波的分別作用下，結(jié)構(gòu)最大層間及有害位移角的數(shù)值及所對應(yīng)的層號如表4所示。

結(jié)構(gòu)最大層間及有害層間位移角的計(jì)算結(jié)果 表4

5 結(jié)論

本文通過對某24層采用細(xì)長剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層住宅進(jìn)行彈性分析、彈性動力時程分析、靜力彈塑性分析和彈塑性動力時程分析，可以得到以下結(jié)論：

①通過對結(jié)構(gòu)的彈性分析可知，該結(jié)構(gòu)在多遇地震下包括承載力驗(yàn)算和彈性變形計(jì)算在內(nèi)的彈性計(jì)算結(jié)果均能滿足《抗規(guī)》《高規(guī)》的要求，即“第一階段設(shè)計(jì)”完成，該結(jié)構(gòu)在水平力作用下的變形曲線呈彎剪型；

②通過對結(jié)構(gòu)的彈塑性靜力分析可知，該工程在罕遇地震作用下的需求層間位移角為小于規(guī)范限值1/120，表明該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均符合規(guī)范要求，即在罕遇地震下不會發(fā)生倒塌破壞；

③通過對結(jié)構(gòu)的彈塑性動力時程分析可知，結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形性能及整體性能的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足“大震不倒”；結(jié)構(gòu)的層間位移角及彈塑性位移均能滿足《抗規(guī)》《高規(guī)》等的限值要求，且有一定的冗余度。