带高位转换层的框支剪力墙结构弹塑性地震反应探析

杨成明

（安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

带高位转换层的框支剪力墙结构建筑的特点是下层基础较弱，因此，对于建筑抗震性能的实现会产生一定的影响。相对于普通框架剪力墙高层建筑来说，带高位转换层的结构在地震反应方面的研究还不完善。随着人们对建筑物的需求越来越多元化，带高位转换层的框支剪力墙结构建筑项目会逐渐增多，为确保建筑性能及安全，完善其弹塑性地震反应研究非常必要。

1 工程案例背景简介

某商住两用高层建筑项目标高95.2 m，分为地上32层、地下2层，总建筑面积为28 621.7 m2，该项目设计防裂度为7度、Ⅰ组，设计基本加速度为0.1 g，建筑承受基本风压为0.35 kN/m2。该项目为典型的带高位转换层框支剪力墙结构，其中地面以上4层为传统的框架剪力墙结构，另28层为剪力墙结构，4层楼面为梁式转换层，对上层建筑体提供支持。在设计过程中，尽量减少复杂的转换工序，但最终方案中依然包括3次梁转换，除此之外，其他部分的剪力墙均直接落于梁结构上。总的来说，该工程结构中的梁转换次数较多，但转换的跨度有限，并存在次梁转换和同一柱结构上存在双转换梁的问题。其中，主梁和次梁的转换跨度的最大值分别在8.2 m和5.5 m。

该工程选择提高下3层框架剪力墙的厚度，并确保每层的刚心和质心重合。 由于建筑电梯间所处位置墙体密度较大、 刚度有所保证，因此无须进行墙体加厚处理。其他部分墙体厚度在350～400 mm。为了让转换层部分性能的过渡更加流畅，选择将第4～7层结构的墙体也进行加厚处理。其中第4、5层的剪力墙厚度依照结构位置设计为200、250、350 mm不等；第6层剪力墙设计为200 mm和250 mm；第7层为200 mm。加大框支柱的横截面积，增加后柱截面的宽度在900～1 000 mm，承受双转换梁的柱截面积最高为1 000 mm×3 200 mm。虽然该设计方法会在一定程度上影响建筑整体美观性，但为确保建筑性能必须如此。用于承托支转换梁的柱截面积在500 mm×1 800 mm、500 mm×2 000 mm、5 000 mm×2 200 mm不等。位于转换层的楼板厚度设计为180 mm，以确保其荷载能力。

2 带高位转换层的框支剪力墙结构设计

2.1 整体结构分析

发生较强地震时，抗震性表现最薄弱的是与转换层相连接的框支剪力墙衔接层，沿楼层变化的抗侧刚度是导致地震中建筑出现局部破损的主要原因。在计算时，需将转换层当作主体结构的一部分，使用相应的计算模型，对三维结构进行计算和分析。该项目使用的计算程序为MDAS和STAWE，计算过程中涉及的参数包括：结构重要程度=1、振型=36、活荷载折减系数=0.5、阻尼比=0.05、地震修正系数=1、周期折减系数=0.8，其中振型贡献率的计算方法为CQC，并使用SRSS法计算双向地震扭转组合。最终得出主要弹性的具体数据，并与行业相关标准相对比 （行业要求转换层上下衔接部分的刚度应尽量相同，且两部分的刚度比应≤1.3，转换层的侧向刚度至少为与其连接的上部楼层的60%），发现方案中的各项弹性数据均符合标准要求。再就两种计算程序得出的结论相对比，结果大致相同，因此可以判定，对带高位转换层的框支剪力墙结构建筑的空间性能进行分析，其结果可真实反映结构受内力和形变状况。

2.2 高位转换层分析

转换层之下采用框支剪力墙结构，转换层之下的层数越多，其高度越大，在受外力时，发生的刚度突变就越明显，内力在楼层间传递途径的波动程度和位移角变动也会更为剧烈。这一特点会导致转换层的刚度小于上层结构，使得转换层变为“抗震薄弱层”，导致建筑抗震设计无法很好地与下层框支剪力墙结构相适应[1]。因此在工程设计阶段，要尽量减少转换层上下两部分间的测量刚度突变程度，保证建筑整体的抗震性、抗风压性达到相关要求。

在本案例中，使用以下方法对框支剪力墙结构的内力情况进行研究：使用单位空间法分析整体结构的内力，并得出各部分构件的内力情况和配筋情况；分析转换梁周围楼层的平面有限元，获取详细信息，得出配筋情况，该过程的分析对象为位于底层框架和框支层以上的墙体部分，共计4层；每300 mm划分有限单元；将增大系数设为1.2。在对结构内力进行分析之后，结合设计要求做出以下处理：

第一，框架的抗震等级为特一级，轴压比控制在0.5之内，对轴压比大于0.5框支柱，在其中芯加设纵向钢筋，并要求纵向钢筋的界面截面大于柱截面的1%，适当增加配箍率，以确保框支柱能够提供足够的抗变形能力。第二，框支梁承受的荷载主要来自剪力，小墙肢的应力集中非常严重，导致与小墙肢安装边门洞相结合的框支梁受到过高的应力。当出现水平荷载时，这部分框支梁的弯矩和剪力会达到普通框支梁的3倍左右。为处理这一问题，选择提高小墙肢和与边门洞相连框支梁结构的设计荷载，并提高箍筋的配置密度。第三，将框支柱的配筋率控制在1.5%～2.0%，框支梁的配筋率以1%为最佳，确保上下部位的纵筋相同。在框支梁中加设抗收缩及温度应力的钢筋。第四，为提高转换层之下结构的延展性，选择三级钢筋作框支柱、框支梁等主要结构，选择机械焊接的方式进行纵向连接。框支梁节点处的钢筋分布较密，为给施工作业提供便利，可选择使用直径较大、强度较高的钢筋。做好混凝土振捣工作。第五，在框支层，使用钢纤维混凝土制作墙结构和柱结构，每立方混凝土中添加75 kg钢纤维，结构的抗拉性能可提高40%左右，抗剪性能可提高50%。在实际施工中，将钢纤维混凝土与一般混凝土混合使用，还可用于结构加固，无须使用其他加固措施[2]。本项目地下2层结构中，剪力墙使用较多，抗震性能可靠，因此无须再使用钢纤维混凝土。

3 带高位转换层的框支剪力墙结构弹塑性地震反应

本工程结构设计复杂性较高，选用MDSS程序对结构弹塑性静力进行分析。研究在7级地震下，结构的薄弱位置。以基本振型进行侧向加载，先对由重力产生的荷载进行非线性分析，再逐渐增加荷载，分析结构的弹塑性。

3.1 检测过程

结构的第一振型在X方向，第二振型在Y方向，分别使用模态1和2对X、Y向进行加载，得出推覆曲线[3]。该曲线展示了过程中，结构X向和Y向顶点位移情况。如图1所示，当0≤H≤1 000时，两个方向顶点位移曲线基本为直线，之后略微向下倾斜，并出现第一批塑性铰。随着H的增加，曲线的下降趋势更加明显，弹塑性增强。X向的顶点处于H=1/120时，推覆曲线开始递减。但此时，Y向的曲线依然为上升状态。由此可以看出，结构的抗侧推性能相对稳定，当顶点的位置达到H=1/100时，曲线开始下降。

图1 剪力-顶点位移曲线

再对需求普与能力谱之间的关系进行分析，从X向和Y向的推覆曲线推导出结构下部剪力与位移之间的关系曲线，并将其转换为地震反应普，将两曲线呈现于同一坐标轴当中。计算性能点。在X方向，性能点为Sa=0.061，Sd=320。在T方向，性能点为Sa=0.063，Sd=217。X向和Y向的能力普分别相交于7级地震需求普曲线，说明结构的抗震性能达到设计要求，建筑能够承受7级地震的侵袭，且结构的延性较佳。在推覆曲线中找到X向和Y向性能点相对应的点，得到X向：V=18 166 kN、D=446 mm；Y向：V=17 476 kN、D=320 mm。即X向的最大层间位移角在12层，最大弹塑性层间位移角为1/123，Y向的最大层间位移角在20层，最大弹塑性层间位移角为1/185，两个方向的最大弹塑性层间位移角均未超过1/120，因此满足发生地震时对于位移角的要求。需要关注的是，出现小震和大震时，结构的形变情况存在较大差异，发生罕遇地震时结构的薄弱部分在中部。

3.2 检测结果

将对X向和Y向的加载分为四个阶段。第一阶段，荷载达到轻微地震程度，结构中只有很少的构件出现屈服，但从整体看，推覆曲线依然为直线，结构弹性未受到明显影响。第二阶段，荷载逐渐从轻微地震达到中等级别，两个方向的连梁和部分框架梁、X向的中层剪力墙和少量未落地的剪力墙、Y向的中层剪力墙出现屈服。整体结构的刚度受到影响，此时推覆曲线出现弯曲。第三阶段，荷载上升到罕见地震程度，达到性能点，两方向水平构件中出现屈服的数量明显增加，并从结构的中间部位向上下两端扩散。其中，X向出现屈服的剪力墙分布比较集中，其他在转换层之下的竖向构件均未出现屈服。相对于X向，Y向的框架梁、框架柱等构件出现屈服的数量更多。第四阶段，到检测结束时，结构中大部分水平构件和部分纵向构件已出现屈服。位于转换层之下的构件屈服主要集中在西北角。

连梁作为结构中的耗能构件，出现塑性变形的程度较大，尤其在结构的中层位置。落地剪力墙是结构的主要承重构件，几乎未出现变形，依然处于弹性较佳的状态。转换层之下的框支结构刚开始进入变形状态，发生的程度较小。在罕遇地震时，该工程中的部分构件虽然已经遭到破坏，但并未出现较大面积的坍塌问题，抗震目标基本可以实现。

4 结语

对高位转换层框支剪力墙结构进行弹塑性地震反应分析，能够清晰地发现结构中抗震性能薄弱的位置，并加以巩固和增强。本文针对遭破坏较为严重的转换层下部的框支剪力墙和框架柱进行加固处理。决定提高西北角破坏较严重剪力墙的强度，并提高柱的截面积和配筋率，设置更为密集的箍筋。在框架柱部分同样设置更多箍筋。