平面非規(guī)則高層住戶樓房中剪刀墻框架的應(yīng)用與研究

孟瑞軍 MENG Rui-jun

（中鐵建設(shè)集團(tuán)華東工程有限公司，昆山 215300）

0 引言

高層住宅建設(shè)非常注重建筑的安全性和質(zhì)量，因此需要對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計和施工，保證其穩(wěn)定性和材料性能[1-3]。然而，隨著建筑高度的不斷增加，框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點應(yīng)力集中，側(cè)向剛度小，而剪刀墻結(jié)構(gòu)又存在墻間距離限制和開洞難度等問題，使得結(jié)構(gòu)的靈活性和抗側(cè)性能變得不可兼得[4-6]。研究針對平面不規(guī)則超限高層住宅，提出了適合該類建筑的框剪結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，將展示框剪結(jié)構(gòu)在抗震性能、土建造價和建筑空間的方面具有明顯優(yōu)勢。

1 平面非規(guī)則高層住戶樓房中剪刀墻框架抗震性能化設(shè)計

1.1 性能目標(biāo)的確定

抗震性能化設(shè)計旨在確保建筑物在地震作用下不會超過預(yù)期的破壞程度，從而保障人員的生命安全，同時也避免過多的經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范所提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，抗震性能目標(biāo)主要包括三個方面，具體如表1 所示。

表1 抗震性能目標(biāo)描述

對應(yīng)性能水準(zhǔn)1，構(gòu)件的抗震承載力應(yīng)符合式（1）要求。

式（1）中Rk表示構(gòu)件的承載力，ξ 表示利用系數(shù)，η 表示關(guān)鍵構(gòu)件取值，與表示構(gòu)件內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值。對應(yīng)性能標(biāo)準(zhǔn)2，構(gòu)件抗震承載力應(yīng)符合式（2）要求。

對應(yīng)性能水準(zhǔn)3，構(gòu)件受剪截面應(yīng)符合式（3）要求。

式（3）中VGEK表示重力荷載按代表值取值的構(gòu)件剪力標(biāo)準(zhǔn)值，V**EK表示大震作用計算的構(gòu)件剪力標(biāo)準(zhǔn)值，無增大系數(shù)，ζ 表示剪壓比。性能水準(zhǔn)4 的計算方式與性能水準(zhǔn)2 相同，只改變壓、剪工況。建筑地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 建筑地震破壞等級

研究可以將建筑地震破壞等級分為五個級別，分別是完好、輕微損壞、輕中等損壞、中等損壞和嚴(yán)重?fù)p壞。完好狀態(tài)下所有構(gòu)件沒有任何破損痕跡。輕微損壞狀態(tài)下建筑構(gòu)件可能發(fā)生塑性形變。輕中等損壞狀態(tài)下建筑構(gòu)件的可修復(fù)性下降。中等損壞狀態(tài)下建筑構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的塑性變形。嚴(yán)重?fù)p壞狀態(tài)下建筑構(gòu)件已經(jīng)嚴(yán)重受損，需要進(jìn)行局部拆除并重建。

1.2 小震驗算抗震性能化設(shè)計

綜合抗震性能目標(biāo)描述與抗震性能化設(shè)計是一種針對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防設(shè)計方法。其步驟如下：首先，需要明確結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。其次，需要建立整體彈性模型，并進(jìn)行“小震不壞”的彈性計算。整體驗算流程如圖1 所示。

圖1 小震計算流程

對于特別不規(guī)則建筑、甲類建筑或規(guī)范規(guī)定的超高建筑，還需要進(jìn)行小震彈性時程補(bǔ)充分析。其次，需要按照“三水準(zhǔn)、二階段”的第二水準(zhǔn)要求進(jìn)行“中震可修”結(jié)構(gòu)驗算。樓板主拉應(yīng)力設(shè)計值如式（4）所示。

式（4）中θ 表示應(yīng)力夾角，γRE表示承載力抗震調(diào)整系數(shù)，S 是指樓板鋼筋間距，h 表示樓板厚度，As表示水平筋總面積，下標(biāo)v 和h 分別表示y 和x 的平行方向。當(dāng)樓板為雙層雙向配筋時，式（4）可演化為式（5）。

非線性構(gòu)件運動方程則如式（6）所示。

式（6）中M 表示質(zhì)量矩陣，C 表示阻尼矩陣，K 表示剛度矩陣，F(xiàn)（t）表示節(jié)點動力荷載。

2 地震結(jié)構(gòu)驗算分析

2.1 小震驗算

研究從地震波帶來的振動程度入手，將地震波劃分為小震、中震與大震三種類型進(jìn)行分析。針對小震，選擇底部剪力、傾覆彎矩、最大房間位移角三種指標(biāo)進(jìn)行分析。研究除了使用數(shù)據(jù)庫中已有的自然波外，還納入人工波進(jìn)行分析，具體人工波波形如圖2 所示。

圖2 人工波波形

以自然波與人工波為基礎(chǔ)，小震驗算結(jié)果如圖3 所示。

由圖3，各個地震波下的底部剪力方向X和Y 的數(shù)值范圍不同。反應(yīng)譜法分析的結(jié)果為6802.317 和6824.732，和其他地震波分析的結(jié)果相比，結(jié)果略低。各個地震波下的傾覆彎矩方向X和Y 的數(shù)值范圍不同，其中chi-chi,Taiwan 地震波的傾覆彎矩方向數(shù)據(jù)較為接近，說明該地震波的對建筑結(jié)構(gòu)的影響比較大。結(jié)果說明該方法能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)小震下建筑結(jié)構(gòu)的變形情況。

2.2 中震驗算

針對中震，研究將工況劃分為失效、嚴(yán)重?fù)p壞、較嚴(yán)重?fù)p壞、中度損壞、輕度損壞、輕微損壞與無損壞七種情況進(jìn)行分析。中震驗算下，不同工況下剪刀墻正截面性能狀態(tài)如表3 所示。

表3 中震驗算結(jié)果

如表3，前兩種工況下剪刀墻的正截面均未出現(xiàn)任何損壞，說明該剪刀墻能夠承受較大的地震荷載。無損工況下，可以看到包絡(luò)值列的數(shù)據(jù)為0，表明該剪刀墻在地震荷載下沒有出現(xiàn)任何損壞。此外，前兩種工況下的剪刀墻，其微損欄數(shù)據(jù)均為0.1，說明微小的損傷對該剪刀墻的正截面性能狀態(tài)沒有產(chǎn)生顯著的影響。對于微損工況下的剪刀墻，NONI111446_X0 的微損欄為0.1，說明該剪刀墻可能出現(xiàn)了輕微的損傷。結(jié)果表明這些剪刀墻在微損工況下也表現(xiàn)得非?？煽浚哂泻芎玫目拐鹉芰?。

2.3 大震驗算圖片

針對大震，研究將主要從基層剪力與頂層位移兩個角度入手，并進(jìn)行兩個側(cè)面的分析，進(jìn)而判斷地震波性質(zhì)是否會對演算結(jié)果產(chǎn)生影響?；鶎蛹袅εc房間位移角變化如圖4 所示。

圖4 基層剪力與房間位移角變化

根據(jù)圖4 的樓層位移角與基礎(chǔ)剪力變化曲線得出，大震驗算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 大震驗算結(jié)果

首先，在基底剪力方面，四個維度的結(jié)果分 別 為 19466kN、15255kN、20712kN 和7543kN， 在這些方法中， 天然波NONI1114460 的結(jié)果最大，CQC 反應(yīng)譜法的結(jié)果最小。頂層位移方面，四個維度的結(jié)果分別為0.576m、0.289m、0.61m 和0.063m，其中，天然波NOAKI1408430 的結(jié)果明顯偏小，其他三種結(jié)果比較接近?？梢钥闯龅卣鸩ǖ男再|(zhì)會對結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)論

該研究對平面非規(guī)則高層住戶樓房中剪刀墻框架進(jìn)行抗震性能化設(shè)計。解決方法包括整體彈性模型建立、小震彈性計算和內(nèi)力調(diào)整等因素考慮，中震結(jié)構(gòu)設(shè)計以及大震驗算分析，得出以下結(jié)論：①小震中各個地震波底部剪力方向X 和Y 的數(shù)值范圍在5900 到8700。傾覆彎矩的數(shù)值范圍在380000 到780000。②中震中剪刀墻在不同工況下表現(xiàn)出不同的損傷情況，但整體性能良好，能夠承受較大的地震荷載。在所有的工況下，剪刀墻均未出現(xiàn)失效或嚴(yán)重?fù)p壞。在某些輕微工況下，剪刀墻存在微損壞或無損情況。③在大震中，基底剪力方向四個維度的結(jié)果分別為19466kN、15255kN、20712kN 和7543kN。頂層位移方向四個維度的結(jié)果分別為0.576m、0.289m、0.61m和0.063m。不同地震波的性質(zhì)對地震響應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，存在明顯差異。