超限高层框支剪力墙结构的抗震性能分析

陈长美 钱 江 陈长锡

（1.上海天华建筑设计有限公司，上海200235；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海20092；3.长安大学公路学院，西安710064）

超限高层框支剪力墙结构的抗震性能分析

陈长美1，2，*钱 江2陈长锡3

（1.上海天华建筑设计有限公司，上海200235；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海20092；3.长安大学公路学院，西安710064）

框支剪力墙结构容易在底部形成大空间，可以满足变化多样的使用要求。但框支剪力墙结构易在底部形成薄弱层，不利于抗震。以云南某在建带高位转换层超限高层框支剪力墙结构为具体研究对象。首先，采用通用有限元程序ANSYS对该结构的抗震性能进行较为细致的数值模拟分析；接着，对该结构进行抗震性能综合分析；并采用弹塑性需求谱的改进能力谱方法对结构抗震性能进行评估。最后，通过改变转换层上、下刚度比以及转换层高度的方式，讨论了框支层相对刚度及位置对结构整体抗震性能的影响。以期为此类型建筑设计的改进提供参考建议。

框支剪力墙结构，转换层，刚度比，推覆分析，弹塑性时程分析

1 引 言

20世纪80年代以来，高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展［1，2］。由于建筑功能的需要，框支剪力墙结构在高层建筑结构中大量应用。框支剪力墙结构上部作为住宅、写字楼，下部用作商业设施具有优越的使用功能，但这种结构形式一般底部刚度较小，容易形成薄弱层，对结构抗震不利。

2 工程概况

云南某在建项目B栋132.00 m，裙房为5层商业用房，层高同住宅塔楼，分别为6.0 m、4.8 m、4.8 m、4.8 m、6.2 m，屋面标高26.60 m。裙房与塔楼间不设缝，住宅塔楼与商业裙房下设四层地下室，主要用作地下车库和商业。采用部分框支剪力墙结构体系，在塔楼5层顶设转换层，转换层以上为剪力墙体系，以下为部分框支剪力墙体系。水平转换构件为2.5 m高箱型转换层，转换层顶、底楼板厚200 mm。箱型内部肋板（腹板）宽600～800 mm，肋梁内设置H型钢，以提高其承载力及延性性能，含钢率6%～9%。肋梁截面由截面剪压比控制。框支柱截面边长为1 200～1 600mm。框支柱内设十字形钢骨，以提高其承载力及延性，含钢量8%。框支柱尺寸由其抗弯承载力控制。

3 ANSYS有限元数值计算分析

图1给出结构的有限元计算模型，图2给出结构分析所用的典型节点位置示意图。

图1 有限元计算模型Fig.1 Finite element calculation model

图2 典型节点位置示意图Fig.2 Typical node location diagram

本文通过对某在建超限框支剪力墙结构的ANSYS有限元数值模拟计算来研究此类结构的抗震性能［3，4］，针对影响框支剪力墙结构抗震性能的几个主要因素［5］，通过改变转换层上、下刚度比以及转换层高度的方式，讨论了框支层相对刚度及位置对结构整体抗震性能的影响。以期为此类型建筑设计的改进提供参考建议。

3.1 时程分析

该建筑物场地属于Ⅲ类场地，结构按8度抗震设防，设计基本加速度为0.20 g，分析中不考虑地下室，结构底层与基础刚接。结合设计单位建议及主体结构计算分析的要求，选择以下5条地震记录作为激励。

TH1TG055波：由PKPM公司提供，为天然地震波，单向输入。

TH3TG055波：由PKPM公司提供，为天然地震波，单向输入。

RH3TG055波：由PKPM公司提供，为人工地震波，单向输入。

Taft地震波：为天然地震波，双向输入。

El Centro地震波：为天然地震波，双向输入。

弹性时程分析按8度多遇地震作用的工况进行，输入的加速度时程曲线按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［6］进行调整，即最大幅值调整为70 cm／s2。地震波双向水平输入时，其加速度最大值按1∶0.85的比例调整。采用通用有限元程序ANSYS进行计算分析，模型见图1。由计算结果可知，典型节点N9与结构的重心很接近，以下均取N9的位移响应分析。

图3 各工况小震作用下结构最大位移响应曲线Fig.3 Themaximum displacement response curve of structure under frequent earthquake

图4 各工况小震作用下结构最大层间位移角响应曲线Fig.4 Themaximum inter-story drift curve of structure under frequent earthquake

表1 弹性时程分析结构响应结果汇总Table 1 The response results of the structure under elastic time-history analysis

从图3、图4可以看出，由于结构裙房在Y方向的贡献使结构在Y向变形均匀，而结构X方向则显现了框支剪力墙结构的变形特点，在下部框支层的变形较大，有突变。

从表1可见，小震作用下，X向最大层间位移角平均值为1／2 260，最大值为1／1 574；Y向最大层间位移角平均值为1／1 308，最大值为1／1 006。平均值满足设定的抗震性能目标，即小震时最大层间位移角不大于1／1 000。

弹塑性时程分析按8度罕遇地震作用的工况进行，输入的加速度时程曲线最大幅值调整为400 cm／s2。

从图5、图6可以看出，罕遇地震下结构的变形规律与多遇地震作用结果类似。

从表2可见，大震作用下，X向楼层最大侧移为509 mm，Y向楼层最大侧移为876 mm；X向最大层间位移角平均值为1／263，最大值为1／122；Y向最大层间位移角平均值为1／214，最大值为1／120。满足设定的抗震性能目标。

图5 各工况大震作用下结构最大位移响应曲线Fig.5 Themaximum displacement response curve of structure undermajor earthquake

图6 各工况大震作用下结构最大层间位移角响应曲线Fig.6 Themaximum inter-story drift curve of structure undermajor earthquake

表2 弹塑性时程分析结构响应结果汇总Table 2 The response results of the structure under elasto-p lastic tim e-history analysis

3.2 静力推覆分析

对结构进行静力推覆pushover分析，采用三种不同的水平力加载方式：①水平推覆荷载沿竖向按均布方式；②水平推覆荷载沿竖向按倒三角方式；③水平推覆荷载沿竖向按第一振型方式。三种加载方式水平力沿竖向分布可见图7，由于在转换层楼层处质量很大，故水平荷载在此发生突变。三种方法推覆分析X、Y方向结构基底剪力-顶点位移曲线见图8。

图7 计算模型三种不同的水平加载方式（推覆分析）Fig.7 Three different lateral loading schemes on structure model（pushover analysis）

图8 计算模型基底剪力-顶点位移曲线（推覆分析）Fig.8 The base shear-top displacement curve of structuremodel（pushover analysis）

图9 X向大震作用下结构位移响应曲线（第一振型加载）Fig.9 The displacement response curve of structure undermajor earthquake in X direction（firstmode loading scheme）

图10 Y向大震作用下结构位移响应曲线（第一振型加载）Fig.10 The displacement response curve of the structure undermajor earthquake in Y direction（firstmode loading scheme）

三种推覆方法下结构的基底剪力顶点位移曲线相差较大，说明加载方式对框支剪力墙结构推覆分析结果影响较大。

以下的推覆位移响应曲线，“大震”目标位移参考弹塑性时程分析计算结果“Avg”曲线，取结构X、Y向顶点位移角分别约为1／500、1／270时刻考查推覆分析结构的位移及应力响应。

从图9、图10可以看出，随着结构进入弹塑性状态，结构层间位移角响应最大值出现在16～21层间，表明结构破坏主要发生在这些楼层。

根据计算得到的三种不同水平加载方式作用下结构推覆分析的响应结果，使用改进能力谱方法对塔楼的抗震能力进行评价。其中改进的能力谱法是将多自由度转化为等价的单自由度体系，建立单自由度体系的能力图，同时建立单自由度体系的等延性设计谱，将等延性设计谱转化为加速度位移格式后与等价单自由度体系能力谱加以比较，来确定结构的弹塑性抗震性能。

8度罕遇地震作用下结构的最大加速度影响系数αmax＝0.9。Ⅲ类场地的设计特征周期Tc＝0.55 s。按照相似关系分别构造延性系数μ＝1，1.5，2，3，4时的非弹性需求谱曲线Sa-Sd。同时将结构的基底剪力-顶点位移曲线转换成Sa-Sd格式的能力谱曲线，将能力谱曲线和需求谱曲线绘制在一起，8度罕遇地震作用时结构的能力谱需求谱曲线见图11、图12。

图11 X向8度罕遇地震下能力谱与需求谱曲线Fig.11 The power spectrum and demand spectrum curve under 8 degreemajor earthquake in X direction

图12 Y向8度罕遇地震下能力谱与需求谱曲线Fig.12 The power spectrum and demand spectrum curve under 8 degreemajor earthquake in Y direction

结构在8度罕遇地震下能力谱与需求谱都有交点，通过此性能点反推到推覆曲线中找到对应的荷载步下结构的位移响应见图9、图10。结构X向最大层间位移角为1／330，结构Y向最大层间位移角为1／309，均满足规范结构弹塑性位移角限制1／120的要求，说明结构能抵御8度罕遇地震，且结构X向抗震能力强于Y向。

3.3 转换层高度及其上、下刚度比［7］对结构抗震性能的影响分析

由于框支剪力墙结构沿竖向刚度发生突变，底层框—剪结构的延性较差，因此结构的抗震性能较差。为研究如何提高框支剪力墙结构体系的抗震性能，以下在此项目基础上做以下改变：

（1）通过改变框支层落地剪力墙墙厚来改变其转换层上、下刚度比，从中得出转换层上、下刚度比对框支剪力墙结构抗震性能的影响；

（2）改变转换层设置高度，即增加转换层下部“框支”结构的层数，相应减少转换层上部剪力墙结构的层数，而结构总层数不变，研究不同转换层高度下框支剪力墙结构的抗震性能。

对改变转换层高度、改变框支层剪力墙厚度的结构进行弹塑性时程分析，输入地震波选Taft＿Y。依据楼层典型节点位置N9得到X向结构位移响应对比（图13）、Y向结构位移响应对比（图14）。

从时程分析的结构楼层位移和层间位移角响应结果可见，降低转换层高度或增加框支层剪力墙的厚度，结构的位移响应会减小，层间位移角也随之变小，尤其对框支层的位移响应有较明显的改善，两种调整均可提高结构的抗震性能。

图13 弹塑性时程分析X向结构位移响应对比Fig.13 The X direction displacement response of structure under elasto-plastic time-history analysis

图14 弹塑性时程分析X向结构位移响应对比Fig.14 The Y direction displacement response of structure under elasto-plastic time-history analysis

4 结 论

（1）从时程分析的结构位移响应曲线可以看出，整体上结构在X方向的最大层间位移角较Y方向的要小，但在下部框支层，结构X方向的最大层间位移角偏大，明显大于结构上部的层间位移角，体现出框支剪力墙结构的弱点，框支层为结构薄弱层。

（2）由时程分析可知，结构在小震和大震下的最大层间位移角均小于规范限值；由静力推覆分析可知，结构在均布、倒三角和振型组合三种不同的加载方式下均能满足规范的抗震要求。

（3）从弹塑性静力推覆pushover分析，结构在8度罕遇地震下能力谱与需求谱都有交点，而且性能点对应结构的位移响应满足规范的要求，表明该结构能抵御8度罕遇地震。

（4）计算结果也表明由于裙房在结构Y方向的贡献使结构在Y向的变形沿竖向变化比较均匀，而结构X向，没有裙房贡献，变形在框支层有突变，可见合理的布置裙房能改善框支剪力墙结构的刚度变化也是提高结构整体抗震性能的一种有效方法。

（5）从弹塑性时程分析的结构楼层位移和层间位移角响应结果可见，降低转换层高度或增加框支层剪力墙的厚度，结构的位移响应会减小，层间位移角也随之变小，尤其对框支层的位移响应有最明显的改善，两种调整均可提高框支剪力墙结构的抗震性能。

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Study on Seism ic Performance Evaluation for Com plicated Framed Shear Wall Tall Building Structure

CHEN Changmei1，2，*QIAN Jiang2CHEN Chengxi3
（1.Tianhua Architecture Planning and Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200235，China；2.State Key Laboratory of Disaater Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200235，China；3.School of Highway，Changan Unirersity，Xi’an 710064，China）

The shearwall structure with supporting frames form some large spaces on ground floor easily，and satisfy more purposes.But this kind of structural system is usually weak on the ground floors，it violates the seismic concept design.A code-exceeding high-rise building structurewith high-level transfer story under construction in Yunnan province is taken as the specific research object in this study.Firstly，a refine finite elementmodel of prototype structure is established.Then，an comprehensive analysis on seismic performance of the structure is given，and the improved capacity spectrum method of the elasto-plastic demand spectrum is used to evaluate the seismic performance of this structure.Finally，the influence of ratio of stiffness between the structure over the transfer storey and under the transfer storey and the heightof transfer storey on the global seismic performance is analysed，with the purpose of offering advice on the design of this kind of structure.

frame-supported shearwall structure，transfer storey，ratio of stiffness，pushover analysis，elastoplastic time-history analysis

2013-08-21

国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAJ13B02），自然科学基金重大研究计划项目课题（91315301-4）*联系作者，Email：chenchangmei＿2007＠126.com