基于MIDAS的某带端部转换剪力墙结构的抗震性能分析

基于MIDAS的某带端部转换剪力墙结构的抗震性能分析

林宝新1,2,陈明1,许加义1

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230022; 2.安徽建筑大学 建筑设计研究院，安徽 合肥230022)

摘要:文章以某高层剪力墙结构带端部转换为例,采用有限元软件MIDAS/Building进行多遇地震下的弹性计算、罕遇地震下的弹塑性分析及楼板应力分析,对托墙转换构件采用小震、中震弹性双控设计,对结构整体及构件的抗震性能进行评估。计算结果表明,通过加强措施后,结构布置合理,无明显刚度薄弱层和过大扭转位移比,结构具有良好的屈服机制。

关键词:端部转换;MIDAS软件;弹塑性分析;抗震性能

收稿日期：2015-01-30；修回日期：2015-03-23

作者简介：林宝新(1966-),男,安徽和县人,安徽建筑大学教授级高工,硕士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.06.020

中图分类号:TU375文献标识码：A

MIDAS-basedseismicperformanceanalysisofahigh-riseshearwallstructurewithterminaltransformation

LINBao-xin1,2,CHENMing1,XU Jia-yi1

(1.SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China; 2.InstituteofArchitecturalDesignandResearch,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Abstract:Takingahigh-riseshearwallstructurewithterminaltransformationasanexample,theelasticcalculationunderfrequentearthquakeandtheelastic-plasticcalculationunderrareearthquakeandthestressanalysisoftransferstory’sfloorareperformedbyusingthefiniteelementsoftwareMIDAS/Building.Theelasticdouble-controlmethodisusedtodesigntransfermemberunderfrequentandmediumearthquake,andtheseismicperformanceofwholestructureandtransfermemberisalsoevaluated.Theanalysisresultsindicatethatthestructurehasawellyieldmechanismwithoutstiffnessweaklayerandoversizetorsionaldisplacementratiobystrengtheningmeasures.

Keywords:terminaltransformation;MIDASsoftware;elastic-plasticcalculation;seismicperformance

高层建筑带转换结构往往下部大开间、上部小开间,是一种竖向不规则的复杂结构[1],同时如转换构件位于建筑单体端部,则结构底部质心与刚心差别大,易导致扭转形成平面不规则。结构在转换层附近的竖向刚度易突变,转换层会产生严重的应力集中现象,一旦传力途径缺失会产生连续倒塌,对抗震设计十分不利。端部转换造成结构平面不规则,在地震作用下易产生扭转效应。这就要求设计中必须采用合理的结构形式,在竖向实现楼层上下部分的合理过渡,在平面合理布置剪力墙以减弱扭转效应。文献[2]第3.6.2条规定:“不规则且具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑结构,应按本规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析”。

1工程概况与抗震性能目标

合肥市某小区5#楼,地下1层,层高5.6 m;地上31层,结构在商业3层(即住宅4层)平面端部托墙框支转换,住宅4～31层标准层高2.9 m,建筑高度为89.9 m,平面、剖面如图1、图2所示,转换层以下⑥轴附近存在错层[3]。框支柱除KZZ2截面为700mm×1 400mm外,其余截面均为700mm×1 100mm;框支梁截面均为900mm×1 000mm。本工程抗震设防分类为丙类,设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第1组。

图1　转换层平面布置图　　　　　　　　　　　　　　　　　图2　⑨轴剖面图

本工程分2阶段抗震设计,在满足基本设防目标的前提下,结合抗震性能设计要求,选用等级为C的性能目标[1],具体见表1所列,其中框支柱、梁按 “关键构件”设计[1]。

表1　抗震性能目标

2多遇地震下振型分解反应谱分析

采用刚性楼板假定,考虑偶然偏心,地震影响系数最大值取0.08,特征周期0.35s,结构阻尼比为0.05,周期折减系数为0.9,连梁折减系数为0.7。计算结果见表2所列，结构第3自振周期T3为1.625 s。

表2　整体计算主要结果

计算结果表明周期比为0.751<0.9,结构前三振型如图3所示。结构楼层最小剪重比大于1.6%；在考虑偶然偏心和双向地震作用下,楼层最大层间位移角小于1/1 000,框支柱的最大轴压比为0.21<0.6；转换层与相邻上层的侧向刚度比γe1大于0.6,转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2大于0.8,满足规范要求；扭转位移比小于1.4,说明结构平面布局合理,未出现过大偏心距。各计算指标满足规范要求,可保证“小震不坏”的设防准则。

图3　基本振型

3设防烈度下中震等效弹性分析

根据性能目标,关键构件框支柱、框支梁采用中震弹性设计,底部加强区剪力墙按抗剪弹性设计,一般剪力墙按中震不屈服及多遇地震分析结果的较大值设计,水平地震影响系数最大值取0.23,不考虑地震内力调整系数,即强柱弱梁、强剪弱弯的调整系数均取1.0。

(1) 中震弹性设计。荷载组合调整系数和抗震承载力调整系数采用与小震相同的数值,连梁折减系数取0.6。计算结果表明结构在中震作用下基本处于弹性阶段,抗震承载力满足中震弹性性能目标要求。

(2) 中震不屈服设计。不考虑风荷载效应,荷载分项系数和抗震承载力调整系数取1.0,材料强度采用标准值,连梁折减系数取0.5。

(3) 框支梁柱分别取⑨轴KZL1、KZZ1为研究对象,不同地震水准下构件在同一部位、某一工况下荷载效应见表3所列,数据表明中震不屈服设计内力与小震弹性设计内力相当,框支梁、柱抗剪承载力均满足中震性能目标要求。

表3　构件荷载效应

由于整体弯曲在中震情况下可能会在底部墙肢中产生拉应力,为防止墙肢产生受拉裂缝从而造成结构整体刚度退化,对中震下底部墙肢进行了拉应力校核[4]。计算结果表明:在中震不屈服Y主方向地震力作用下,在底部加强区剪力墙最外边缘部位的极小范围(小于结构整体的1%)出现拉应力,且最大拉应力为3.37MPa,小于2ftk=4.78MPa。剪力墙抗剪、抗弯均满足中震性能目标要求。

4罕遇地震下静力弹塑性分析

该结构通过静力弹塑性分析验算弹塑性层间位移,评估结构的抗震性能,找出薄弱部位,以采取相应措施进行加强。推覆计算采用位移增量控制方法,控制点为剪力墙顶点,停机位移取建筑总高1/100,选振型加载模式第1振型作为荷载工况对X、Y方向进行推覆分析。采用弹性楼板假定,选用计算配筋,超配系数为1.15,并考虑梁柱交接刚域[5]。

(1) 材料的本构模型。混凝土采用文献[6]单轴混凝土应力应变关系模型,钢筋采用双折线模型。

(2) 分析模型。梁、柱采用非线性塑性铰单元,其中梁采用弯矩-转角铰,柱采用轴力弯矩耦合铰;剪力墙采用非线性纤维模型,转换梁作为墙单元输入。

4.1　结构整体抗震性能

结构沿X、Y向能力谱法分析结果如图4所示。弹塑性需求谱与能力谱相交,交点即为罕遇地震下的性能控制点。性能点处X、Y向的层间位移角分别为1/349和1/444,分别出现在推覆的第11加载步和第9加载步,且均小于剪力墙结构的弹塑性层间位移限值1/120,可保证结构整体“大震不倒”的抗震设防目标。

性能点处X向基底剪力为13 440kN,剪重比为5.41%;Y向基底剪力为14 010kN,剪重比为5.64%。分别为小震弹性基底剪力的3.36倍和3.34倍,结构在罕遇地震下的能力曲线在经过性能点后仍有明显的上升态势,能实现“大震不倒”的设防要求。

图4　罕见地震下能力谱法分析结果

4.2　结构构件梁、柱性能评估

塑性铰本构模型如图5所示,其中B为屈服状态,IO为直接居住状态、轻微损坏,LS为使用安全状态、中等破坏,CP为防止倒塌状态、严重破坏,C、D为极限状态,E为坍塌状态。塑性铰塑性变形容许准则见表4所列。

图5　 FEMA塑性铰本构模型

控制指标转角/rad框梁框柱IO0.0050.003LS0.0100.012CP0.0200.015

2个方向的推覆显示:楼层中部连梁梁端率先进入B屈服,之后向顶部、底部楼层发展,随着加载步的增加,转换层连梁普遍出现B屈服,有的达到CP状态,部分框架梁(跨高比大于5)端也出现B屈服,且框梁普遍晚于连梁进入屈服状态。到性能点时,转换层梁、柱出铰情况如图6所示,转换层梁端大多进入B屈服,少量达到LS中等破坏状态,框支柱未出铰,表明结构具有很好的延性和足够的安全储备。

图6　转换层梁铰分布图

4.3　结构构件剪力墙(含转换梁)性能评估

转换梁为墙单元,剪力墙采用混凝土的压应变、钢筋的拉压应变及混凝土的剪切应变来评估剪力墙的破坏程度,各应变等级取值见表5所列。其中当混凝土的抗压破坏等级为3级、钢筋的拉压破坏等级为2级时定义为屈服状态,剪切应变的第1等级和第2等级认为是弹性状态,第3等级可认为是屈服状态,第4等级可定义为屈服后状态,第5等级可认为是极限状态[7]。

表5　剪力墙各应变等级取值

转换层在性能点时剪力墙X、Y向各应变等级分布如图7、图8所示。

从结构整体看,在罕遇地震下剪力墙混凝土的受压均为弹性状态;99.8%的钢筋拉压应变处于弹性状态(小于等级2);99.7%的混凝土剪切应变处于弹性状态(小于等级3),但转换层处98.6%处于弹性状态。

由图8c可以看出,与上托剪力墙相连处转换梁出现局部剪切破坏。转换梁及上部剪力墙Y向剪切破坏分布如图9所示。

图7　X向为主方向转换层剪力墙各应变等级分布图

图8　Y向为主方向转换层剪力墙各应变等级分布图

图9进一步显示,该位置在⑧轴上,转换梁及其上托剪力墙在端部出现局部剪切破坏,达到屈服状态。框支梁柱按实配钢筋进行推覆分析表明,混凝土的剪切应变有明显改善。

转换梁上部承托剪力墙,非满跨剪力墙以荷载的形式作用在转换梁上,使转换梁剪力发生突变。若墙满跨布置,则转换梁与剪力墙共同工作,可降低转换梁端剪力。增加⑧轴转换梁以上2层的剪力墙长度至满跨,Y向推覆结果如图10所示,作为关键构件转换梁未出现剪切破坏,处于弹性工作状态,转换梁上托剪力墙满跨布置,对转换梁的受力有利。

图9　转换梁及上部剪力墙 Y向剪切破坏分布图

推覆分析表明:

结构整体满足罕遇地震作用下的抗震性能设防目标,转换层结构竖向与转换构件具有很好的抗震能力。

图10　上部满跨布置剪力墙的剪切破坏分布图

5楼板应力分析

楼板协调同一楼层中竖向构件的变形,使建筑物形成一完整的抗侧力体系。若结构带有转换层,这就需要转换层楼板把不落地剪力墙的水平荷载传递到落地剪力墙上,由于楼板的变形很大,所以必须有足够的刚度作为保证。

本工程转换层采用弹性楼板假定,其他楼层定义为刚性楼板,考虑水平地震作用、竖向地震作用、风荷载作用和长期挠度作用下的楼板应力。

转换层在多遇地震和罕遇地震下的楼板应力如图11所示。

图11　各地震作用楼板应力云图

在多遇地震下,与剪力墙相连处的楼板主要承受拉应力,连续板块的中部多承受压应力,板块拉应力95.3%低于2.66MPa,小于C60混凝土抗拉强度标准值2.85MPa,小震作用下混凝土核心层不发生裂缝;罕遇地震下楼板大多出现拉应力,整个板块的7.6%超过10.4MPa,最大值达到21.1MPa。转换层楼板剪力设计值应符合下列公式及文献[1]第10.2.24条的要求:

(1)

(2)

其中，Vf为由不落地剪力墙传到落地剪力墙处按刚性楼板计算的框支层楼板组合的剪力设计值;bf、tf分别为框支转换层楼板的验算截面宽度和厚度;As为穿过落地剪力墙的框支层楼盖(包括梁和板)的全部钢筋的截面面积;γRE为承载力抗震调整系数,可取0.85。

不落地剪力墙的Y向剪力值见表6所列。

表6　不落地剪力墙剪力值　 kN

将以上参数代入(1)式、(2)式，可得：

Vf≤(0.1×1×27.5×8 500×180)/0.85=

4 950 kN,

23 733 kN。

计算结果表明转换层楼板抗剪满足规范要求。

6抗震加强措施

(2) 楼板应力分析表明,转换层楼板厚不小于180mm,采用双层双向配筋,且最小配筋率不小于0.25%。为保证应力传递,转换层相邻楼层墙体水平筋与边缘构件配筋应适当加强。

(3) 提高剪力墙底部加强区配筋率,尤其加强与转换梁相连处的剪力墙配筋[8]。

(4) 减弱扭转的不利影响,使结构质心与刚心尽量接近。当扭转位移比太大时,加强结构四周的刚度,合理布置剪力墙以减小偏心距。

(5) 转换梁上部剪力墙应尽量满跨布置在框支柱间,形成深梁,以达到与上部剪力墙共同作用,降低框支梁跨中弯矩和梁端剪力。

7结论

(1) 多遇地震下结构弹性分析表明,楼层最大位移比、侧向刚度比等满足规范要求,可保证结构“小震不坏”的设防水准。

(2) 通过中震弹性和中震不屈服的内力组合对主要竖向构件和转换梁进行分析,可以判定结构能够满足“中震可修”及既定的性能目标。

(3) 罕遇地震作用下的结构分析考虑转换梁及相连剪力墙受力特点,采用合理的计算模型、材料本构关系及塑性铰的破坏准则,以真实反映结构的薄弱部位。结果表明结构布局合理,转换层及上下层无明显结构薄弱层,结构具有良好的抗震能力。

(4) 通过性能化设计并采取适当的抗震加强措施,确保结构抗震性能目标的实现。

[参考文献]

[1]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]李跃,林宝新.某带错层高层剪力墙结构的抗震性能分析[J].安徽建筑大学学报：自然科学版,2015,23(2)：78-84.

[4]扶长生,张小勇,朱凤涛.对中震不屈服设防目标的讨论[J]. 建筑结构,2010,40(8):117-120.

[5]林宝新,贾鑫.某带斜柱不规则框剪结构的抗震性能分析[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2014,37(6):713-719.

[6]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[7]北京迈达斯技术有限公司.结构大师非线性分析技术手册[Z].北京:北京迈达斯技术有限公司,2010.

[8]魏琏,王森,韦承基.高层建筑转换梁结构类型及计算方法的研究[J]. 建筑结构,2001,31(11): 7-14.

(责任编辑马国锋)