罕遇地震下带转换层的高层剪力墙结构损伤分析

尧国皇

（深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172）

罕遇地震下带转换层的高层剪力墙结构损伤分析

尧国皇

（深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172）

为研究罕遇地震作用下某带转换层的高层钢筋混凝土剪力墙结构的抗震性能，应用有限元软件ABAQUS，结构中的钢筋和混凝土采用弹塑性本构模型，较为深入地分析了该结构在罕遇地震作用下框架、剪力墙和楼板的损伤演化过程。分析结果表明，在罕遇地震作用下，转换梁及其附近剪力墙、楼板出现一定程度的损伤，框架构件损伤程度较小。

罕遇地震；转换层；剪力墙；抗震；损伤分析

为适用建筑功能的需要，带转换层的建筑结构也常被用于工程实践。然而，带转换层的结构在地震作用下受力复杂，容易形成抗震薄弱部位。以往相关研究者针对具体工程的带转换层的剪力墙结构进行了抗震性能研究[1-2]，为本文的研究提供了良好的参考。

本文为研究某带转换层的高层剪力墙结构在罕遇地震作用下的抗震性能，采用有限元软件ABAQUS，利用其强大的非线性分析功能，基于适宜的钢筋和混凝土材料弹塑性本构模型，拟分析该带转换层的高层剪力墙结构在罕遇地震作用下的框架、剪力墙和楼板的损伤演化过程，研究其抗震性能，以期得到可为本工程结构设计参考的结论。

1 工程概况

该工程建筑总高96.6m，共29层（包括一层地下室），由于建筑功能的需要，该结构采用带转换层的高层钢筋混凝土剪力墙结构体系，转换层位于第3层。本项目的结构设计基准期为50年，拟建建筑场地为II类场地，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，场地无液化地层，场地特征周期为0.35s，结构为丙类抗震设防，设计地震分组为第一组，场地属可进行工程建设的一般场地。

2 有限元模型的建立

2.1 单元选择

采用大型通用有限元软件ABAQUS建立有限元模型。分析模型中梁和框架柱采用三维梁单元，剪力墙和楼板采用三维壳单元。

为确保有限元计算精度，对于结构中的钢筋混凝土剪力墙、框架柱（框支柱）、框架梁（框支梁）、连梁以及转换层楼板等重要受力构件，单元网格划分时相应加密。同时，消除长度很小（如小于0.5m） 的杆单元及面积过小的壳单元，以保证模型提交分析时计算时间步长的合理性。对于非框架梁和除转换层楼板以外的其它层楼板等非重要构件，网格相对略疏，但最大单元尺寸不超过2m[3-4]。

2.2 材料本构关系模型

合理的材料本构关系模型是结构弹塑性分析的重要基础。钢筋本构模型采用ABAQUS软件中的等向弹塑性的双线性强化模型，满足Mises屈服准则，可以考虑包辛格效应，在往复荷载下，无刚度退化。钢筋的拉-压应力-应变曲线为二折线强化模型，其极限应变取为0.025，强化段模量取弹性段模量的0.01倍。楼板和剪力墙混凝土材料采用ABAQUS软件自带的混凝土塑性损伤模型[5]，该模型能考虑混凝土在地震往复作用下的刚度退化等性质，且具有较好的非线性收敛性。钢筋混凝土梁柱中混凝土采用自定义的材料本构关系模型。损伤模型中膨胀角取30o，粘性系数取0.001，双轴等压屈服强度与单轴抗压强度的比值取软件缺省值1.16，拉压子午线上第二应力不变量的比值K取2/3[5]。通过分析该模型计算获得的混凝土损伤因子，可以方便了解混凝土的破坏情况。损伤因子在0到1之间变化，0代表无损伤，1代表完全损伤。图1所示本工程带转换层的高层钢筋混凝土剪力墙结构的有限元分析模型。

图1 有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model

2.3 动力分析方法

由于罕遇地震作用下的结构的非线性特性，动力方程求解采用振型叠加法已不再适用，必须采用直接积分的方法。ABAQUS软件提供的显式算法不需要矩阵求逆，因而每步的求解时间很少。因此，对于本工程这种大规模的数值运算，动力分析采用了显式算法。

为简化计算，分析过程中忽略钢筋与混凝土之间的滑移，钢筋单元节点与混凝土单元节点变形协调；并假定循环往复荷载作用下受拉开裂的混凝土反向受压时，刚度全部恢复；受压压碎的混凝土反向受拉时，刚度全部丧失。相关研究表明，以上简化对结构弹塑性分析结果影响很小[3-4]。

2.4 地震作用输入

按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)的要求，往复地震作用下的动力弹塑性分析所选用的各条地震波均应满足[6]：①地震波特征周期与场地特征周期基本接近；②加速度最大峰值符合《建筑抗震设计规范》要求（本工程场地7度0.10g为220Gal）；③持续时间为结构第一自振周期的5倍～10倍（本文取25s）等频谱特性。分析前，采用ETABS软件进行验波分析。本文分析时采用3条地震波，地震波从基底双向输入，峰值加速度按照X/Y=1/0.85和X/Y=0.85/1输入。经过选波分析，本文以EI Centro波为例进行论述，其波形图见图2。由于采用有限元软件进行结构的抗震分析时，基于钢筋和混凝土材料微观本构关系，无结构阻尼的概念，采用质量阻尼系数和刚度阻尼系数来考虑结构阻尼。本文分析时采用瑞雷阻尼体系，材料阻尼取值方法参考文献[7]中的计算方法。

图2 EI Centro波形图Fig. 2 EI Centro waveform diagram

3 有限元模型的验证

在进行罕遇地震作用下的动力弹塑性析前,为验证有限元分析模型的合理性，对结构ABAQUS有限元模型与SATWE弹性模型结果的各主要弹性指标进行对比。对比分析指标包括结构总质量（恒载+0.5活载）、结构自振周期与振型两个方面。

3.1 结构总质量

弹性模型总质量为24161t，弹塑性模型总质量为24797t，两个模型的总质量误差为3.4%。

3.2 自振周期与振型

表1给出了两个软件计算获得的前6个周期值的对比，可见，ABAQUS模型和SATWE模型前六个周期较为接近。图3给出了弹塑性模型分析获得的前3阶振型模态，其中，第1阶为Y向平动、第2阶为X向平动和第3阶为扭转。通过以上对比可见，两个软件计算结果总体上接近，说明用于罕遇地震作用下的本工程结构抗震损伤分析的分析模型是准确的。

表1 周期比较（单位：s）Tab.1 Comparison of the periods （s）

图3 振型模态Fig.3 Mode shapes

4 损伤分析结果

对有限元模型进行弹塑性时程分析，便可获得结构中剪力墙混凝土和各层楼板混凝土的损伤演化过程、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土梁中混凝土的损伤发展状态。以下用按地震波X/Y=1/0.85输入获得的结果进行详细论述。

4.1 剪力墙损伤分析

4.1.1 剪力墙受压损伤分析

随着双向地震波的从结构基底输入，在25s的计算时间历程里，剪力墙受压损伤发展过程描述如下：①在0～2.5s内，整体结构基本处于弹性状态，剪力墙混凝土基本无受压损伤，大部分剪力墙混凝土的最大受压损伤因子数值不超过0.05；②在地震波不断输入作用下，结构开始持续振动，结构转换层附近剪力墙中混凝土受压损伤区域逐渐增加，混凝土最大受压损伤因子在0.2～0.3之间，此时，混凝土未进入压碎状态；③随着地震波的不断输入，剪力墙连梁和剪力墙混凝土损伤因子范围及大小持续发展，在25s地震作用结束时，转换层核心筒附近区域混凝土局部最大受压损伤因子接近0.9，设计时应给予相应加强，其他部分区域混凝土剪力墙受压损伤因子不超过0.1。

4.1.2 剪力墙受拉损伤分析

随着双向地震波的不断从结构基底输入，在25s的计算时间历程里，剪力墙受拉损伤演化过程描述如下：① 在0～2s内，整体结构基本处于弹性状态，剪力墙混凝土未出现受拉损伤；②在地震波输入作用下，结构开始振动，中、下部楼层（1～15层）剪力墙连梁首先出现受拉损伤，即混凝土出现受拉开裂现象，在5s时，中部楼层剪力墙的连梁受拉损伤因子处于0.6～0.8之间，剪力墙其他部位混凝土受拉损伤程度则相对较小；③随着地震波的输入，底部楼层剪力墙混凝土开始受拉，受拉损伤因子数值不断增大和出现受拉损伤的区域不断增加，中部楼层剪力墙连梁的受拉损伤不断累积，受拉损伤因子数值也不断增加，在10s时，剪力墙混凝土的最大受拉损伤因子约为0.9，此时这些部位混凝土受拉裂缝开展较为充分；④随着双向地震波的持续输入，剪力墙出现大面积的受拉损伤，且受拉损伤区域逐步形成稳定区域，主要集中在1～3层和5～13层，在25s地震作用结束时，最大的受拉损伤因子达到0.99。

图4所示为剪力墙的最终受压和最终受拉损伤云图。图5给出了地震输入过程中典型剪力墙的受拉损伤发展历程，可较为清晰揭示剪力墙混凝土受拉损伤演化过程。

4.2 楼板损伤分析

图4 剪力墙的损伤云图(25s)Fig.4 Damage cloud chart of the shear-wall (25s)

图6给出了计算结束时楼板混凝土受压和受拉损伤云图，可见，钢筋混凝土楼板的受压损伤主要出现在结构下部楼层（从1～7层）区域，结构转换层核心筒附近楼板受压损伤较为严重，其最大受压损伤因子达0.5，表明这部分区域在设计时应给予加强，其他大部分区域楼板受压损伤因子在0.05以下。中下部楼层（从1～7层）楼板混凝土受拉损伤程度比上部楼层楼板混凝土严重，其最大受拉损伤因子约为0.9，这些损伤严重的区域混凝土的裂缝已经充分开展。

图5 典型剪力墙的受拉损伤发展历程Fig.5 Development procedure of tension damage in typical shear-wall

图6 楼板的受压和受拉损伤云图（25s）Fig.6 Compression and tension damage cloud chart of the floor slab (25s)

图7 框架中混凝土的损伤云图（25s）Fig.7 Compression and tension damage cloud chart of concrete in frame (25s)

4.3 梁柱损伤分析和应力状态

弹塑性分析结果表明，在25s地震作用结束时，钢筋混凝土梁柱中混凝土的最大受压损伤指标小于0.01，且出现在个别框架梁上，钢筋混凝土框架柱基本无受压损伤。钢筋混凝土梁中混凝土的最大受拉损伤因子约为0.9，框架柱未出现受拉损伤，如图7所示。分析结果表明，在结构整个计算过程中，钢筋混凝土框架中钢筋最大Mises应力值为253.5MPa，说明钢筋未进入屈服阶段。

5 结论

本文基于有限元软件，建立了某带转换层的高层剪力墙结构的非线性有限元分析模型，并对其进行了罕遇地震作用下的抗震损伤分析。通过对结构中剪力墙、楼板、框架梁柱混凝土的损伤过程进行分析，针对本工程结构，可得到如下结论：

（1）剪力墙的主要受拉损伤部位为转换层附近墙体；剪力墙的主要受压损伤部位为转换梁附近。

（2）楼板混凝土（包括转换层楼板）在地震过程中基本不出现受压损伤；楼板混凝土的受拉损伤主要出现在结构的中下部区域（从1～7层），主要集中在转换层核心筒附近的楼板，这局部区域设计时应给予加强。

（3）框架柱、框架梁受压损伤程度较小，框架柱基本未出现受拉损伤，部分框架梁出现一定程度的受拉损伤。框架梁柱的钢筋均处于弹性工作状态；整个框架构件在大震作用下性能良好。

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Damage Analysis of a High Rise Shear-wall Structure with Transfer Story Subjected to Rare Earthquake

YAO Guohuang
（School of Traffic and Environment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172 , P.R.China）

In order to study the seismic behavior of a high rise shear-wall structure with transfer story subjected to rare earthquake, the FEM package ABAQUS was adopted to analyze damage evolution process of frame, shear wall and floor slab in this structure, where the damaged plasticity constitutive model of reinforcement and concrete is included. The analytical results show that the transfer beam, floor slab and shear wall appear a certain degree damage, but minor damage is found in frame members.

rare earthquake; transfer story; shear wall; anti-seismic; damage analysis

TU398.2

：A

1672-6332（2017）01-0024-05

【责任编辑：杨立衡】

2017-01-10

尧国皇（1980-），男（汉），江西抚州人，博士后，高级工程师，主要研究方向：钢-混凝土组合结构、结构抗震及高层建筑结构设计。 E-mail：10680390@qq.com。