8.5度設(shè)防區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值探討

季靜 林浩宇 付豪 吳梓楠 韓小雷

摘要：

為滿足小震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角限值的要求，抗震設(shè)防高烈度區(qū)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件多，截面尺寸大，影響建筑使用空間?？刂菩≌鹱饔孟碌膶娱g位移角除滿足舒適度、裝飾結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備正常使用的需求外，主要目的是確保結(jié)構(gòu)大震不倒。根據(jù)新疆喀什地區(qū)（8.5度設(shè)防）128條強(qiáng)震地震動(dòng)和當(dāng)?shù)貙?shí)際工程，參照現(xiàn)行不同規(guī)范對(duì)層間位移角限值的規(guī)定，以層間位移角和高度為控制參數(shù)，設(shè)計(jì)6個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)模型，采用基于構(gòu)件變形的抗震性能評(píng)估方法研究大震作用下結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)果表明：6個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)在8.5度大震作用下均滿足“大震不倒”的要求，且在兩倍大震作用下具有合理的屈服耗能機(jī)制。建議小震作用下新疆喀什地區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值放松至1/500。

關(guān)鍵詞：

高烈度區(qū); 剪力墻結(jié)構(gòu); 層間位移角限值; 構(gòu)件變形; 抗震性能

中圖分類號(hào)： TU973????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ??文章編號(hào)： 1000-0844（2023）02-0251-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20211012001

Discussion on the story drift ratio limits of shear wall structures

in seismic fortification areas with 8.5 degree earthquake

JI Jing1，2， LIN Haoyu2， FU Hao2， WU Zinan2， HAN Xiaolei1，2

（1. State Key Laboratory of Subtropical Building Science， South China University of Technology， Guangzhou 510640， Guangdong， China;

2. School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology， Guangzhou 510641， Guangdong， China）

Abstract：

To meet the requirements of the story drift ratio limits of structures impacted by small earthquakes， the section sizes of many vertical members are large， especially in seismic fortification areas with high seismic activity. In addition to meeting the requirements of comfort and normal use of decorative structures and mechanical equipment， the main purpose of controlling the story drift ratio under a small earthquake is to ensure that the structure will not collapse under a large earthquake. According to the data of 128 strong earthquake waves in Kashgar， Xinjiang （intensity 8.5 degrees） and local projects， and by referring to the provisions of different codes on story drift ratio limits， six shear wall structural models are designed by taking the story drift ratio and height as control parameters. The seismic performance evaluation method based on member deformation is used to study structural safety under large earthquakes. Results indicate that the six shear wall structures meet the requirement of “no collapse under large earthquakes” under the action of an 8.5-degree earthquake and possess a reasonable yield energy dissipation mechanism under twice the impact. The limit value of the elastic story drift ratio of the shear wall structure in Kashgar （Xinjiang， China） can be relaxed to 1/500 under small earthquakes.

Keywords：

high-intensity area; shear wall structure; story drift ratio limit; component deformation; seismic performance

0 引言

我國(guó)規(guī)范對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角有嚴(yán)格的控制指標(biāo)［1］，目的是使結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度，保證結(jié)構(gòu)正常使用和在大震作用下的安全性。然而在抗震設(shè)防高烈度區(qū)，為嚴(yán)格滿足此要求，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件多，截面尺寸大，影響建筑使用空間，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所受地震作用增大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利［2］。廣東省分別在2013年和2021年頒布標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（DBJ 15-92—2013）》 ［3］和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（DBJ/T 15-92—2021）》［4］（簡(jiǎn)稱廣東省高規(guī)），對(duì)小震作用下剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值從1/1 000放松為1/800、1/500，但其可行性需要通過(guò)大震作用下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行驗(yàn)證。

大震作用下不同地震動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損壞［5］。采用建筑所在場(chǎng)地記錄到的真實(shí)地震動(dòng)，可充分反映場(chǎng)地的動(dòng)力特性，更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)大震作用下構(gòu)件的損壞程度和結(jié)構(gòu)安全性［6］。本研究以新疆喀什地區(qū)記錄到的128條強(qiáng)震記錄為基礎(chǔ)，參考當(dāng)?shù)匾呀ǖ膶?shí)際工程，設(shè)計(jì)6個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)層間位移角限值放松的可行性。

1 基于構(gòu)件變形的抗震評(píng)估方法

文獻(xiàn)［7］通過(guò)大量試驗(yàn)回歸和數(shù)值模擬，得到一整套完整的鋼筋混凝土梁、柱、剪力墻構(gòu)件在不同性能水準(zhǔn)下的構(gòu)件性能指標(biāo)。對(duì)于彎曲破壞和彎剪破壞的構(gòu)件，進(jìn)行正截面變形復(fù)核，正截面按損壞程度劃分為7個(gè)性能狀態(tài)等級(jí)：“完好”“輕微損壞”“輕度損壞”“中度損壞”“比較嚴(yán)重?fù)p壞”“嚴(yán)重?fù)p壞”“失效”;對(duì)于剪切破壞的構(gòu)件，進(jìn)行承載力復(fù)核，劃分為5個(gè)性能水準(zhǔn)：“彈性”“不屈服”“極限”“滿足最小截面”“截面超限”。采用上述研究成果可以對(duì)大震作用下剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞程度和結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行定量評(píng)估。

2 結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 模型設(shè)計(jì)

新疆喀什地區(qū)設(shè)防烈度為8.5度（8度，0.30g，本文統(tǒng)稱8.5度），Ⅱ類場(chǎng)地土，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，特征周期為0.45 s。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際工程，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)層間位移角限值的規(guī)定，設(shè)計(jì)了6個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)模型（表1）。結(jié)構(gòu)平面布置及立面簡(jiǎn)圖如圖1所示［圖1（b）中紅色部分為刪除的墻肢］。結(jié)構(gòu)首層層高4.6 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9 m。

剪力墻抗震等級(jí)取一級(jí)，對(duì)應(yīng)的軸壓比限值為0.5。為了降低風(fēng)荷載的影響，保證地震起主要控制作用，所有模型的基本風(fēng)壓統(tǒng)一取0.30 kN/m2，恒、活載均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》［8］取值。構(gòu)件截面尺寸如表2所列，混凝土強(qiáng)度等級(jí)如表3所列。

2.2 小震彈性計(jì)算結(jié)果

采用YJK軟件建立YJK模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的軸壓比、周期比、扭轉(zhuǎn)位移比、剪重比等設(shè)計(jì)參數(shù)均滿足規(guī)范要求。模型前3周期和最大層間位移角如表4所列，彈性層間位移角接近相應(yīng)規(guī)范限值。

2.3 地震動(dòng)選取

2020年1月19日和2月21日，新疆喀什地區(qū)發(fā)生了兩次地震，震級(jí)分別為6.4級(jí)和5.1級(jí)。兩次地震震中相距23 km，與喀什市區(qū)相隔約100 km。兩次地震共收集到128條地震動(dòng)，可以作為喀什地區(qū)結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析的選波依據(jù)［9］。

本文研究新疆喀什地區(qū)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，且有足夠數(shù)量的喀什地區(qū)強(qiáng)震記錄，故針對(duì)每個(gè)模型，從128條地震動(dòng)中按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》［10］（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）的要求選取7條天然波，記為GM1～GM7。

由于篇幅有限，僅列舉A1模型所選取的地震動(dòng)反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的相對(duì)誤差及結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比（表5、6）。結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)反應(yīng)譜對(duì)比如圖2所示。

2.4 彈塑性模型驗(yàn)證

采用Perform-3D軟件建立Perform-3D模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析，驗(yàn)證彈塑性模型和計(jì)算結(jié)果的有效性，并進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)下的響應(yīng)及構(gòu)件的損傷程度。對(duì)比YJK模型與Perform-3D模型計(jì)算的前3周期，發(fā)現(xiàn)誤差均小于10%，說(shuō)明Perform-3D模型基本正確。由于篇幅有限，僅列舉A1模型的結(jié)構(gòu)周期對(duì)比（表7）。

6個(gè)結(jié)構(gòu)模型大震彈塑性與大震彈性基底剪力和基底傾覆彎矩的對(duì)比如表8所列，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)在大震作用下進(jìn)入塑性狀態(tài)，剛度降低，地震作用減小，且X方向比Y方向的塑性狀態(tài)更加嚴(yán)重。

3 大震性能分析

3.1 彈塑性層間位移角

6個(gè)結(jié)構(gòu)模型在小震和大震作用下的最大層間位移角平均值列于表9。由表9可見(jiàn)，小震作用下放松層間位移角限值的結(jié)構(gòu)仍然可以滿足規(guī)范對(duì)大震層間位移角限值的要求，小震作用下層間位移角較大的結(jié)構(gòu)，大震作用下其層間位移角仍然偏大。

3.2 構(gòu)件耗能分析

大震作用下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件（連梁、框架梁、剪力墻、端柱）的非線性耗能占比如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，對(duì)于每一個(gè)結(jié)構(gòu)，連梁?jiǎn)卧暮哪茉诳偟姆蔷€性耗能中占據(jù)了絕大部分，其次是框架梁，剪力墻單元僅有極少部分耗能。這表明：連梁?jiǎn)卧鳛榈谝坏婪谰€，其塑性耗能能力強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)承受地震作用時(shí)耗散了大部分地震能量;框架梁的耗能能力弱于連梁，但仍承擔(dān)了一部分耗能;剪力墻單元承擔(dān)極少部分耗能。這符合“強(qiáng)墻弱連梁”的設(shè)計(jì)概念。

3.3 連梁性能分析

連梁正截面性能狀態(tài)平均值占比如圖4所示?？梢?jiàn)：6個(gè)結(jié)構(gòu)均有超過(guò)50%的連梁進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度越小，比例越大，其中A2、B3結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少量連梁?jiǎn)卧箯澥?，中部樓層連梁破壞最嚴(yán)重;當(dāng)結(jié)構(gòu)高度相同時(shí)，隨著側(cè)向剛度的降低，連梁正截面損壞逐漸加深。

X、Y方向連梁進(jìn)入塑性狀態(tài)的比例如圖5所示?？梢?jiàn)：X向占比大于Y向，同時(shí)X向連梁數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Y向，X向連梁耗能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Y向，與表8的結(jié)果相互印證。

連梁斜截面性能狀態(tài)平均值占比如圖6所示?？梢?jiàn)：連梁斜截面損壞輕微，遠(yuǎn)小于正截面損壞;絕大多數(shù)單元處于斜截面彈性狀態(tài)，僅A1、A2、A3和B3結(jié)構(gòu)極少部分連梁?jiǎn)卧霈F(xiàn)截面超限，不影響結(jié)構(gòu)整體抗震性能;隨著結(jié)構(gòu)高度增大，連梁抗剪損壞程度降低。

另外，選取結(jié)構(gòu)中發(fā)生截面超限破壞的一榀連梁進(jìn)行大震下正截面、斜截面性能狀態(tài)對(duì)比，結(jié)果如圖7（紅色箭頭部分）、圖8所示。連梁尺寸列于表10。

A1～A3結(jié)構(gòu)中，由于連梁跨度較小，承受地震作用較大，在小震彈性設(shè)計(jì)中，為了使其滿足斜截面抗剪承載力，人為加大了連梁高度，導(dǎo)致其跨高比較小。在局部樓層，連梁斜截面處于超限狀態(tài)時(shí)，正截面處于無(wú)損壞狀態(tài)，即連梁發(fā)生剪切破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。

而B(niǎo)1～B3結(jié)構(gòu)中，連梁高度顯著減小，在連梁正截面處于失效狀態(tài)時(shí)，斜截面僅處于抗剪彈性狀態(tài)，即連梁發(fā)生彎曲破壞。彎曲破壞屬于延性破壞形式，梁有較好的非線性變形和耗能能力，即抗震設(shè)計(jì)概念中提倡的“強(qiáng)剪弱彎”。

通過(guò)連梁正截面與斜截面性能狀態(tài)對(duì)比可知，大部分連梁?jiǎn)卧目辜舫休d力大于抗彎承載力，能夠避免剪切破壞。

3.4 剪力墻性能分析

在8.5度大震作用下，6個(gè)結(jié)構(gòu)剪力墻的正截面破壞很少，基本處于無(wú)損壞狀態(tài)。

剪力墻斜截面性能狀態(tài)平均值占比如圖9所示。由圖可見(jiàn)，大部分剪力墻斜截面處于抗剪彈性狀態(tài)，小部分滿足抗剪不屈服、抗剪極限承載力要求;所有斜截面均滿足抗剪最小截面要求，未發(fā)生剪切破壞。

綜上，通過(guò)8.5度大震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性分析可知，隨著結(jié)構(gòu)剛度放松，連梁屈服比例增加，損壞程度加大，剪力墻正截面基本無(wú)損壞，斜截面損壞程度降低。這主要是由于結(jié)構(gòu)剛度降低導(dǎo)致地震作用減小，大震作用下結(jié)構(gòu)損壞程度降低，均滿足“大震不倒”。

4 倒塌機(jī)制探究

為進(jìn)一步探究超大震作用下結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制，從128條地震動(dòng)中挑選出PGD、PGV值較大的一條地震動(dòng)MGM（圖10），以第一片剪力墻（不包括小墻肢）失效作為判定結(jié)構(gòu)倒塌的依據(jù)，分別對(duì)A3、B3結(jié)構(gòu)模型（考慮2個(gè)地震加速度工況：0.51g、1.02g）進(jìn)行彈塑性分析［11-16］，揭示其屈服機(jī)制，繼續(xù)驗(yàn)證彈性層間位移角和高度放松的可行性。

4.1 彈塑性層間位移角

兩個(gè)結(jié)構(gòu)在MGM作用下的彈塑性層間位移角如圖11所示。在一倍大震（0.51g）和兩倍大震（1.02g）下，結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角均超過(guò)規(guī)范限值1/120。

4.2 連梁性能狀態(tài)

連梁正截面性能狀態(tài)占比如圖12所示。隨著地震加速度的提高，連梁正截面損傷嚴(yán)重且顯著加深;在兩倍大震下，大部分連梁?jiǎn)卧M(jìn)入了失效狀態(tài)。連梁?jiǎn)卧趶?qiáng)震作用下產(chǎn)生較大的變形，大量消耗地震能量，降低結(jié)構(gòu)自振周期的同時(shí)還能降低地震反應(yīng)。

連梁斜截面性能狀態(tài)占比如圖13所示。隨著地震加速度的提高，連梁斜截面的損傷發(fā)展不明顯，大部分連梁?jiǎn)卧匀槐３挚辜魪椥浴?/p>

框架梁破壞規(guī)律與連梁類似，在此不做贅述。

4.3 剪力墻性能狀態(tài)

剪力墻正截面性能狀態(tài)占比如圖14所示。隨著地震加速度的提高，在兩倍大震下結(jié)構(gòu)發(fā)生失效破壞的剪力墻單元占比明顯增大，但大部分都是小墻肢失效（A3結(jié)構(gòu)第1層、B3結(jié)構(gòu)第2層），不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。A3、B3結(jié)構(gòu)分別因?yàn)榈?層、第7層的大片剪力墻單元失效而最終倒塌（圖15）。

剪力墻斜截面性能狀態(tài)占比如圖16所示。隨著地震加速度的提高，剪力墻斜截面損傷程度逐漸增大。在兩倍大震下，由于地震動(dòng)的特性不同，B3結(jié)構(gòu)在第6層出現(xiàn)了單片剪力墻單元截面超限破壞，如圖17所示。除此之外，其余剪力墻單元均滿足抗剪最小截面要求，基本上滿足“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)概念。

隨著地震加速度的增大，連梁、框架梁破壞顯著增加，而剪力墻破壞增加不明顯，表明連梁、框架梁作為耗能構(gòu)件耗散了大部分地震能量，這與3.2節(jié)中對(duì)構(gòu)件的耗能分析一致。這種合理屈服機(jī)制實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)墻弱連梁”的抗震設(shè)計(jì)思想，保證了剪力墻的安全性，確保結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。

5 結(jié)論

（1） 隨著剪力墻結(jié)構(gòu)位移角限值的放松，連梁、剪力墻基本可以滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求;連梁損壞加重，剪力墻損壞減輕。

（2） 隨著剪力墻結(jié)構(gòu)位移角限值的放松，在超大震作用下剪力墻結(jié)構(gòu)仍然具有“強(qiáng)墻弱連梁”的合理屈服機(jī)制。

（3） 連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)重要的耗能構(gòu)件，應(yīng)嚴(yán)格控制連梁跨高比;連梁屈服后結(jié)構(gòu)剛度降低，結(jié)構(gòu)地震作用減小，從而保證了剪力墻結(jié)構(gòu)安全。

（4） 彈性層間位移角放松到1/500后，在8.5度大震作用下，結(jié)構(gòu)依然可以滿足“大震不倒”，且符合“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)墻弱連梁”的抗震設(shè)計(jì)概念。因此，建議小震作用下新疆喀什地區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值放松至1/500。

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