某超高層剪力墻住宅中連廊對結(jié)構(gòu)影響的抗震分析

曲憲偉

（廣州市住宅建筑設(shè)計院有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

隨著高層及超高層住宅的普及，住宅戶型也在不斷更新完善，為了保證每一戶都擁有良好的居住體驗，連廊戶型被大量使用，對于結(jié)構(gòu)而言，連廊結(jié)構(gòu)起到連接兩側(cè)結(jié)構(gòu)共同受力的作用，但是連廊處的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為狹窄，屬于結(jié)構(gòu)較為薄弱的部位，比較容易發(fā)生破壞而影響結(jié)構(gòu)安全，為防止連廊失效后出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形及構(gòu)件損傷[1]，利用彈塑性計算軟件SAUSAGE，以某超高層剪力墻住宅為例建立有限元模型，對無連廊模型進(jìn)行罕遇地震下的抗震分析，通過與原模型對比分析，提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施保證結(jié)構(gòu)安全。

1 結(jié)構(gòu)模型與動力特性

某超高層剪力墻住宅位于山西省太原市。地下兩層地上46層，主體總高度143.900m（含室內(nèi)外高差0.300m），采用全現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.2g），場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第二組。標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面

結(jié)構(gòu)平面布置在結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著重要的作用。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）[2]，高層建筑布置宜具有簡單、規(guī)則的結(jié)構(gòu)平面，剛度和承載力分布均勻。嚴(yán)重不規(guī)則的布置不應(yīng)采用。地震區(qū)內(nèi)高層建筑的平面布置應(yīng)滿足以下要求：平面布置應(yīng)簡單、規(guī)則、對稱，并應(yīng)減小偏心。

該超高層結(jié)構(gòu)體系采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑平面布置及建筑功能，并結(jié)合結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的需要，在電梯井、樓梯間、外圍護(hù)墻以及內(nèi)隔墻等不影響建筑功能的位置設(shè)置剪力墻，剪力墻墻厚自下向上從400mm逐漸減薄至200mm。外圍連梁在不影響建筑立面情況下盡可能加高，以提高整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。在結(jié)構(gòu)側(cè)向位移滿足規(guī)范要求的前提下，盡量控制剪力墻身厚度及長度和樓板厚度，以減輕結(jié)構(gòu)自重，從而減小地震下的反應(yīng)。同時，剪力墻也承擔(dān)豎向荷載，可以通過增加墻厚以及混凝土的強(qiáng)度滿足豎向承重要求。剪力墻之間通過樓面框架梁及樓板相連。樓面梁向剪力墻傳遞豎向荷載，同時還可以協(xié)同形成多肢剪力墻共同抵抗側(cè)向荷載。

結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力體系的豎向布置對結(jié)構(gòu)性能有很大的影響。良好的豎向構(gòu)件布置不僅能滿足建筑使用功能的要求，更重要的是還能滿足結(jié)構(gòu)的安全性和強(qiáng)度傳遞的要求?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）（以下簡稱《高規(guī)》）第3.5.1～3.5.9條對高層結(jié)構(gòu)的豎向布置有相關(guān)的規(guī)定?？刂平Y(jié)構(gòu)豎向布置合理性的參數(shù)有承重能力比、剛度比、剪切比等。本工程通過調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置，控制各項參數(shù)在合理范圍之內(nèi)。在結(jié)構(gòu)的布置中，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是不可避免的，因為質(zhì)心不能與剛性中心完全重合。除了考慮平面的形狀外，還需要通過布置抗側(cè)向力的構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。本工程通過增加外圍墻長墻厚以及連梁高度提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能，本工程的主要抗側(cè)力體系由鋼筋混凝土剪力墻以及框架梁共同構(gòu)成。

1.1 有限元模型

該超高剪力墻住宅的三維有限元模型如圖2所示。其中梁、柱的非線性模型采用纖維梁進(jìn)行模擬，剪力墻和樓板采用彈塑性的分層殼單元模擬。該項目采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法[3]，不采用任何理論的簡化，并且直接模擬地震力作用下結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)。同時考慮幾何非線性和材料非線性，可以精確模擬全過程結(jié)構(gòu)損傷變化直到最后的倒塌。

圖2 無連廊和有連廊模型

1.2 結(jié)構(gòu)動力特性

根據(jù)上述形成的有限元模型（有連廊），采用WYD-RITZ法[4]進(jìn)行求解，其前十階陣型如表1所示，前三階振型如圖3所示。

表1 結(jié)構(gòu)周期分布

圖3 塔樓結(jié)構(gòu)前三階振型

在結(jié)構(gòu)的動力分析過程中，阻尼值對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)振幅有很大的影響。彈性分析中，通常采用模態(tài)阻尼ξ來表示，可以滿足分析要求。而在彈塑性分析中，因為采用直接積分法方程求解，剛度和振型均為變值，不能直接換算出陣型阻尼。一般采用瑞利阻尼來模擬模態(tài)阻尼。瑞利阻尼分為質(zhì)量阻尼α與剛度阻尼β兩部分且與模態(tài)阻尼的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（1）、式（2）所示。

式中：[C]——結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；[M]——結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；[K]——剛度矩陣；ω1——結(jié)構(gòu)的第1周期；ω2——結(jié)構(gòu)的第2周期。

2 罕遇地震下有無連廊動力彈塑性分析比較

2.1 地震波選取

選取一組滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）5.1.2[5]的要求地震波如圖4所示，地震波包含X、Y二個方向，共2條不同波形的地震波進(jìn)行彈塑性時程分析，各地震波輸入的地震加速度最大值均為400cm/s2，主次方向地震波峰值加速度比為1∶0.85[6]。地震波滿足規(guī)范分析時考慮二向地震波輸入。

圖4 地震波時程曲線

2.2 有連廊與無連廊模型分析比較

本工程的結(jié)構(gòu)平臺與連廊處連接存在薄弱連接，可能在大震下由于局部連廊破壞而形成整體倒塌，針對取消連廊進(jìn)行分析，并與有連廊模型墻體受壓損傷及墻體鋼筋應(yīng)變比較（X向地震作用下）如圖5所示。

圖5 墻體受壓損傷及墻體鋼筋應(yīng)變/屈服應(yīng)變

混凝土的壓縮損傷因子、拉應(yīng)力損傷因子和鋼筋的塑性變形程度是評價構(gòu)件損傷的主要標(biāo)準(zhǔn)。梁和柱構(gòu)件的性能水平為單元性能水平的最大值，墻板構(gòu)件的性能水平為單元的平均加權(quán)性能水平。

結(jié)合本工程大震需滿足性能水準(zhǔn)4的要求。SAUSAGE與《高規(guī)》中構(gòu)件的損壞程度對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 SAUSAGE與《高規(guī)》中構(gòu)件的損壞程度對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)語

（1）大震作用下無連廊模型在北側(cè)山墻損傷加大，但均未超過中度損壞，滿足剪力墻（關(guān)鍵構(gòu)件）不超過輕度損壞，普通豎向構(gòu)件不超過中度損壞的性能目標(biāo)。

（2）無連廊剪力墻豎向鋼筋應(yīng)變/屈服應(yīng)變最大比值約1，有連廊剪力墻鋼筋鋼筋應(yīng)變/屈服應(yīng)變最大比值約為0.62，無連廊剪力墻豎向鋼筋應(yīng)變最大值接近于屈服。施工階段應(yīng)在底部加強(qiáng)部位采取增加豎向分布鋼筋配筋率的措施進(jìn)行加強(qiáng)。