某带高位转换框支剪力墙结构抗震性能分析

杨淑斌，程晓杰

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)



某带高位转换框支剪力墙结构抗震性能分析

杨淑斌，程晓杰

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：本文针对某带有高位转换框支剪力墙高层建筑工程，建立SATWE和Midas Building两种不同的力学模型对结构进行整体分析计算，通过Midas Building补充罕遇地震下的静力弹塑性分析研究结构抗震性能，并据此提出该框支剪力墙结构满足规范和抗震性能目标的解决措施，保证结构安全可靠，可供今后此类结构抗震设计时参考。

关键词：高位转换；框支剪力墙；静力弹塑性分析；性能点

0引言

随着我国城镇化进程的加快，土地集约紧凑型的开发模式使得现代建筑不仅越来越高且体型日趋复杂。为了满足不同空间的使用要求，建筑上下部分采用不同的结构形式，需通过设置转换层来进行内力传递。带转换层的高层建筑结构由于上、下层竖向构件不连续，结构竖向刚度发生变化，容易形成薄弱层，对抗震不利[1]。《高层建筑混凝土结构技术规程》[2](JGJ3-2010)(以下简称《高规》)中规定当框支剪力墙结构转换层的位置超出规范规定时，则称之为带高位转换的框支剪力墙结构。目前，国家相关规范中此方面的处理措施尚不完整，所以需在具体工程建设中不断探索并加以解决。

本文结合一幢转换层位置在六层的高层框支剪力墙结构工程，通过采用SATWE和Midas Building软件建立不同力学模型分析其抗震性能，并进一步补充静力弹塑性分析，针对不足之处采取行之有效的解决措施，为以后同类建筑结构的抗震设计提供参考。

1工程概况

安徽省某综合商业中心，地下一层车库层高为5m，地上一层至五层商业层高为5.4m，六层转换层层高为6.3m,七层至二十六层住宅标准层层高3m，二十七层设备层层高为3.5m，建筑总高度96.8m。该建筑结构类型为现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构，现浇混凝土强度等级如表1所示，钢筋采用HRB400级，箍筋采用HPB300级。

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(以下简称《抗规》)[3]和《建筑工程抗震设防分类标准》的规定，7度抗震设防烈度，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，设计地震加速度为0.10g，特征周期为0.35s，设计使用年限50年，该建筑为丙类建筑，安全等级为二级，基本风压(50年重现期)为0.35KN/m2，结构平面布置如图1所示。

表1　混凝土强度等级

图1结构平面布置图

2结构整体模型分析

2.1软件选用及结构整体模型

本工程采用梁式转换结构，主要构件尺寸为：转换梁1000mm×2000mm(局部800mm×2000mm)，框支柱1200mm×1200mm(内置600mm×250mm×16mm×25mmH型钢)，落地剪力墙厚度400mm，标准层剪力墙厚度200mm。荷载取值由《建筑结构荷载规范》[4](GB50009-2012)和业主要求决定。同时由于本工程属特别不规则的超限高层建筑结构，根据规范要求，采用中国建筑科学研究院开发的PKPM系列SATWE软件和北京迈达斯技术有限公司开发MIDAS Building有限元分析软件建立不同的力学模型对整体结构进行计算分析，保证结构的各项指标均能满足规范要求，结构整体模型如图2所示：

图2结构整体模型

2.2结构动力特性分析

结构动力特性分析采用SATWE和MIDAS Building进行振型分解反应谱法计算，考虑偶然偏心和双向水平地震作用，为了避免模型差异与施工次序的影响采用施工模拟3次序加载，同时考虑连粱刚度折减和周期折减，其余主要计算参数均按照相关规范取值。整体计算结果对比分析如表2所示。

计算结果分析[5]：

(1)由表2中结果，对振型分析可知，该结构的第一、二振型分别为沿X和Y方向平动，第三振型为扭转振型，且周期比T3/T1<0.9，说明结构的抗扭刚度满足规范要求。

(2)该结构的两种计算模型得出来的剪重比均大于1.6%，说明最小水平地震剪力满足规范要求。

(3)计算结果表明两种分析模型的振型参与的有效质量系数均大于90%，满足《抗规》5.2.2条文说明中规定要求。

(4)层间位移角是保证主体结构基本处于弹性状态和各种非结构构件完好，避免产生明显损伤的重要控制指标。从计算结果可以看出，该结构的最大层间位移角均满足《抗规》要求。

表2　SATWE和Midas Building分析结果

图3楼层位移

(5)结构平面布置的不规则性主要通过位移比来控制，国内外震害表明，往往破坏比较严重的是平面不规则和扭转刚度太弱的结构。表2中该结构的位移比数值均小于《高规》位移比限值，满足规范要求。

(6)通过对计算结果分析，可得到水平地震作用下的楼层位移曲线，如图3所示。结果表明，虽然Midas的计算结果比SATWE的结果略大，但均能满足规范要求。

3弹性时程分析

本工程采用SATWE有限元分析软件进行多遇地震下弹性时程分析补充计算。根据规范地震动三要素和天然波数量不应小于总数量的2/3的要求，本次计算共选取3条地震波：2条天然波为TpTG035和TpTG035，1条人工波为RH1TG035。弹性时程计算结果与振型分解反应谱法计算的结果对比见表3:

表3　振型分解反应谱法和弹性时程分析比较

由表3的计算结果可知：本次时程分析所选地震波计算出X向和Y向的基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，同时X向和Y向时程平均值分别为81.5%和83.2%均大于振型分解反应谱法的80%，说明本次计算所选的三条地震波是合理、可靠的，符合规范中的相关规定。

4静力弹塑性分析

4.1静力弹塑性分析原理

为了进一步研究该结构在罕遇地震下的抗震性能，本文采用Midas Building软件补充静力弹塑性分析(Pushover)。大量实践表明，Pushover 方法不仅能够检验结构在多遇地震下的弹性计算结果，更重要的是可以分析结构在罕遇地震下出现的破坏形态，找准结构的薄弱部位，效果比《抗规》中关于结构在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形计算更进一步[6]。

Pushover分析是为了获得结构的性能点，即一定水准地震作用下结构的极限承载力和变形能力点。主要步骤如下：按照指定的加载模式获得的荷载-位移曲线，转换为单自由度体系的能力谱，同时把加速度反应谱转换为需求谱，将这两条谱曲线画在同一坐标系中，交点即为所求结构的性能点。因此可以通过定义不同的需求谱来验算结构在不同水准地震作用下的承载能力和变形能力，实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准抗震设计原则[7]。

4.2静力弹塑性结果分析

Midas Building中采用FEMA-273[8]和ATC-40中提供的能力谱法来评价结构的抗震性能，软件中的塑性铰特性分为双折线型、三折线型及FEMA铰三种类型。本工程采用FEMA骨架曲线来计算结构的塑性铰特性，如图4所示；墙单元采用纤维模型，材料的本构模型为理想的弹塑性双折线类型。

图4FEMA铰类型的塑性铰特性

由结构动力特性分析可知，结构的第一、二振型分别是沿X方向和Y方向平动。本文以水平分布荷载为加载模式，以位移增量为增量控制，同时为模拟建筑物的实际受力情况，考虑结构在自重和部分活荷载作用下的初始内力和变形，对X方向和Y方向进行推覆分析。因此本次计算中结构所承受的初始荷载为1.0×恒荷载标准值+0.5×活荷载标准值。对结构处于性能点时的抗震性能进行分析，得到结构在罕遇地震作用下的性能表现，分析结果如图5所示：

图5结构能力谱-需求谱曲线

由曲线分析可知，罕遇地震作用下X向结构最大层间位移角为1/276，出现在结构第15层，Y向结构最大层间位移角为1/232，出现在结构第14层，均小于《抗规》第5.5.5条规定的弹塑性层间位移角限值[θp]=1/120要求。罕遇地震下性能点对应的基底剪力32413KN，最大位移为0.34m，满足规范要求。

计算结果表明：7度基本烈度地震下，结构基本处于弹性状态，关键构件均未屈服。水平荷载达到7度罕遇地震作用水平时，结构层间位移满足规范要求，墙、柱脚均未出现屈服，框架梁部分屈服但其塑性发展程度较浅，达到了“强柱弱梁”延性设计要求，符合结构抗震工程的“大震不倒”概念设计要求。

5结论

本工程采用SATWE和Midas Building软件建立两个不同力学模型对比分析，计算结果基本一致，说明结构体系、结构布置与构件尺寸基本合理。通过补充弹性时程分析和静力弹塑性分析地震作用下的地震反应，得出以下结论：

(1)通过模态进行分析，结构的周期比略接近于0.9规范所允许的限值，可以通过调整结构布置，合理布置抗侧力构件，提高结构的抗扭刚度，如剪力墙分散、均匀，沿结构周边布置。

(2)合理选择转换构件类型，如采用宽扁梁做为转换构件，有研究表明宽扁梁可以使转换层上部与下部的侧向刚度变化平缓，有效避免薄弱层出现，可更好的为上部结构提供了嵌固[9]。

(3)通过静力弹塑性的分析结果可以判断转换层在罕遇地震下层间位移角能满足规范限值，虽然转换层位置设置超过规范限制，但结构仍有良好的抗震能力，有一定的延性屈服能力，保证安全。

(4)虽然本工程的各项指标均能满足规范的要求，考虑到本工程为超限高层建筑，可采用加强措施来适当调高剪力墙底部加强部位分布筋的配筋率、适当提高框支柱的配筋率及配箍率以提高结构的延性。

随着高层建筑的发展，转换层的设置位置也越来越高,本文仅以转换层设置在6层时进行分析，对在其他位置时结构抗震性能所产生的影响尚需进一步研究。

参考文献

1徐培福．复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

2JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

3GB50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

4GB50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.

5刘爱荣.土木工程结构电算[M].北京：中国建筑工业出版社,2014.

6汪大绥, 贺军利, 张凤新. 静力弹塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和计算实例[J]. 世界地震工程, 2004,20(1):45-53.

7陈健. 钢框架—混凝土核心筒结构弹塑性分析[D]. 成都：西南交通大学, 2013.

8FEMA-273 NEHRP guidelines for the seismic rehabilitation of building[R].Washington D.C, 1997.

9程晓杰,王文勇. 宽扁梁在高位转换结构中的应用与分析[J]. 安徽建筑大学学报,2014(05):7-12.

Analysis on Seismic Performance of Frame-Supported
Shear Wall Structure with High-Level Transfer

Yang Shubin， CHENG Xiaojie

(School Of Civil Engineering , Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China)

Abstract:In this paper, a high - level conversion frame shear wall high-rise building engineering, the structure was calculated by SATWE and Building Midas two different mechanical models.. The seismic behavior of the structure is studied by using the Building Midas to meet the static elastic-plastic analysis of rare earthquake. Based on this, the specifications of frame-supported shear wall structure together with the solutions of seismic performance objectives are put forward in order to ensure the safety as well as reliability of structure, which is able to provide references for the seismic design of similar structure in the future.

Key words:high-level transfer; frame-supported shear wall structure; nonlinear static analysis; performance point

作者简介：杨淑斌(1991-),男,硕士生，主要研究方向为工程结构抗震理论与应用。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150603

中图分类号：TU973

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-011-05

收稿日期：2015-05-14

基金项目：安徽省高等学校自然科学研究重大项目(KJ2014ZD07)