部分框支剪力墙结构抗震性能目标选择分析

钱路曦 汪小娣

(浙江绿城建筑设计有限公司 浙江杭州 310007)

0 引言

我国自20世纪80年代以来，一直以“三水准两阶段设计”作为基本的抗震设计方法。随着建筑高度的持续增高以及建筑体型的逐渐复杂化，仅靠提高抗震作用、做经验性的内力放大、提升构件的抗震等级、按等效弹性法进行大震变形验算等手段很难精细地在结构的安全性、可靠性、合理性、经济性之间找到平衡点。到了20世纪90年代初，美国加州大学伯克利分校学者Moehle[1]提出了基于位移的抗震设计思想，美国加州结构工程师协会[2]在此基础上建立了设计不同水准地震下能达到预期性能水准且能实现多级性能目标建筑的一般框架，基于位移建议了五级性能水准。经过各国学者共同研究和发展，基于性能的抗震设计理论日趋成熟，逐步被纳入各国的抗震规范，现已被广泛认可。我国2010年颁布的《建筑抗震设计规范》[3](以下简称《抗规》)和《高层建筑混凝土结构技术规程》[4](以下简称《高规》)进一步完善和发展了这种设计方法，使我国的抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主和设计者可根据项目的重要性、投资额度、设防烈度、结构类型和不规则性、修复难易程度等条件来选择所需要的性能目标。其中《高规》给出了A、B、C、D四个结构抗震性能目标等级和1、2、3、4、5五个性能水准，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。在具体的执行过程中，文献[5]指出规范中抗震性能设计方法仍有可改进之处，四个抗震性能目标等级并不能完全满足所有结构类型的设计需求。建设部建质〔2015〕67号文件[6]中的第十二条第(三)点也给出了一些调整抗震性能目标的建议。

本文以苏州华贸中心B区某高层服务型公寓为例，对《高规》建议的D级抗震性能目标做适当调整，根据结构类型及构件性质细化抗震性能目标要求，按等效弹性法进行各水准地震作用下结构抗震性能分析，并采用动力弹塑性时程分析法做辅助验证，以此评判抗震性能目标是否合适，结构抗震性能是否能达到预定的抗震性能目标。

1 工程概况

该工程位于苏州市金门路北侧，东侧紧邻轨道交通2号线，集金融、总部办公、商业零售、文化餐饮、商旅服务为一体，总建筑面积达78万m2，一共分为A、B、C、D四个区，本文以其中B区06#楼为例。06#楼地下4层、地上25层，总高度82.100 m，底层为大空间商业，第二层以上为服务式公寓。结构体系为现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙，第二层为转换层，采用型钢柱+型钢转换梁体系，其结构平面布置如图 1所示，转换层以上标准层结构平面布置如图2所示。底部加强部位剪力墙抗震等级为一级，框支框架抗震等级为一级，非底部加强部位剪力墙抗震等级为二级。

图1 转换层结构平面简图

图2 标准层结构平面简图

1.1 结构规则性判定

依据《抗规》[3]《高规》[4]及建设部建质〔2015〕67号文件[6]相关要求，该工程存在如下的超限情况：

(1)扭转不规则，位移比超1.4，但小于1.5；

(2)楼板不连续，有效宽度小于50%；

(3)局部不规则：二层存在穿层柱；

(4)构件间断：二层为转换层。

针对第(2)点不规则，这里有必要解释一下。在图2虚线框位置每3层会设置一块种植平台，故结构整体性良好，并不算作凹凸不规则，只有在无种植平台的楼层存在楼板不连续情况。

综合来看，06#楼存在两项平面不规则和两项竖向不规则，虽然高度未超限，也属超限高层。

1.2 设计中的不利因素

该工程除了具备的部分框支剪力墙结构的一般特点，还存在以下几点特殊之处，会对设计产生不利影响：

(1)苏州市为7度区，根据《抗规》表5.1.4-2查表确定场地特征周期为0.45 s。由于本场地等效剪切波速位于Ⅲ、Ⅳ类场地分界线附近，根据《抗规》4.1.6条规定，允许结构设计通过插值法确定地震作用计算所用的特征周期。根据实测剪切波速取最小值164 m/s内插法确定，覆盖层厚度取90 m，经插值，该工程场地特征周期取0.54 s。特征周期的增大，意味着地震影响系数曲线峰值平台段变宽，造成结构地震响应变大。

(2)由于容积率及规划条件等各方因素限值，结构高度定为82.100 m，刚刚越过规范[4]上部分框支剪力墙抗震等级80 m的分界线，转换层以上底部加强区剪力墙轴压比限值为0.5，在结构总高度没有增加很多的情况下，剪力墙工程量大幅增加，被转换结构自重加大，且结构刚度过大，剪力墙会吸收更多的地震力，进一步引起剪力墙截面扩大。

(3)1层门厅处局部2层通高，在3层平面存在局部转换，框支柱的受力情况十分复杂，个别框支柱为超短柱。

1.3 抗震性能目标的选取

结构高度约为A级框支剪力墙结构高度限值的80%，按照常规经验看，可选C或D级性能目标等级。下文将分析假设06#楼选用这两种性能目标等级会给设计带来什么影响。

(1)选用C级性能目标等级：

①设防烈度地震下，所有竖向构件满足抗弯不屈服，抗剪弹性。框架梁及连梁满足抗剪不屈服。

②罕遇地震下，框支柱、框支梁、底部加强区剪力墙应满足抗弯抗剪不屈服。所有竖向构件满足截面抗剪条件。

部分框支剪力墙结构特点是在转换层附近存在刚度突变，该区域是结构的薄弱环节，但是非底部加强区楼层受力形式接近常规的剪力墙结构，所以a偏严。转换层以上底部加强区剪力墙需要大量加厚墙体，否则难以满足b。根据试算，二层～五层剪力墙需加厚到300 mm～400 mm，混凝土用量比按小震设计增加15%左右，用钢量也大幅增加，这与文献[7]中所述规律相符，上文提到的不利因素(2)也会加剧工程量的增加。而且加厚的剪力墙会破坏建筑空间的完整性，造成可售面积减少，这是建设单位无法接受的。

(1)选用D级性能目标等级：

①设防烈度地震下，框支柱、框支梁、底部加强区剪力墙满足抗弯抗剪不屈服。所有竖向构件满足截面抗剪条件。

②罕遇地震下，框支柱、框支梁、底部加强区剪力墙宜满足抗弯抗剪不屈服。所有竖向构件满足截面抗剪条件。

根据上文提到的不利因素(3)，在设防烈度地震下框支柱按抗弯抗剪不屈服设计性能目标有些偏低。对于该工程来说，设防烈度地震下C级和D级目标仅有“应”和“宜”的差别，看似D级是降低了要求，但是规范上并没有明确规定关键构件可以进入屈服阶段的比例，所以在实际操作上，底部加强区剪力墙仍然按抗弯抗剪不屈服进行配筋设计，工程量大幅增加等问题依然会存在。

本文参考D级性能目标，提出具体构件性能目标，如表1所示。

表1 抗震性能目标

与D级目标等级相比，本文提高了框支柱的性能目标，降低了底部加强区剪力墙性能目标，使上文提到的不利因素影响大大降低，解决了二层～五层剪力墙加厚带来的问题。这样的性能目标究竟合不合理，结构安全性是否能得到保证，需要用分析计算来验证。

2 结构分析计算

2.1 分析计算软件

采用盈建科软件进行多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震作用下结构等效弹性计算分析；采用PKPM-SAUSAGE进行弹塑性动力时程分析。

2.2 等效弹性法分析计算

客观上讲结构地震响应过程是非线性的，目前主流的动力弹塑性时程分析法理论上是最符合实际情况的，但是由于非线性计算伴随着一定的离散性和随机性，其计算结果很难直接用于结构设计。况且动力弹塑性时程分析前就需要明确各构件配筋，根据弹塑性计算结果再次配筋，这不合逻辑。而等效弹性方法是将原弹塑性体系用等效的弹性体系代替，用替代结构反映原来结构的非线性动态特性。这种方法既考虑了非线性，又能保证计算结果的准确性和稳定性，是目前应用最广泛的抗震设计计算方法。

影响结构地震响应的主要因素是结构总质量、刚度、阻尼，地震过程中可认为结构总质量不变，主要是结构刚度和阻尼发生了变化。表2给出了3个水准地震作用工况下包括连梁刚度折减系数、结构阻尼比等几个重要参数。表3以及图3～图5为等效弹性分析的主要计算结果。地震作用越大，结构刚度退化越明显，进入弹塑性变形的比例也越大，故中大震下，结构阻尼比相比小震有所增加，连梁刚度折线系数有所降低。

表2 等效弹性法计算各水准地震作用工况的计算参数

表3 等效弹性法计算得到的结构主要指标

图3 多遇地震各楼层层间位移角

图4 设防烈度地震各楼层层间位移角

图5 罕遇地震各楼层层间位移角

基底剪力是反应结构所受地震作用大小的一个重要指标。从表3的计算结果可以看出，中震作用下结构的基底剪力是小震的2.7倍～2.8倍，大震作用下结构的基底剪力是小震的5.0倍～5.3倍。对于结构总高度不高，以低阶振型为主的结构来说，等效弹性法计算所得基底剪力放大的倍数约等于上部结构的地震力放大系数。所以如果该工程底部加强区剪力墙按大震不屈服设计，那么横截面面积会变得非常大，用钢量也会成倍增加，实用性和经济性均会变差。表3中的其余计算指标以及图3～图5的层间位移角曲线均满足规范要求。从配筋计算结果看，各水准地震作用工况下，框支柱的配筋相差不多，剪力墙的配筋与基底剪力成线性关系。

2.3 中震偏拉验算

部分框支剪力墙结构由于存在转换层上下刚度突变，中震偏拉验算显得尤为重要。计算结果显示，个别墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过了混凝土抗拉强度标准值，该工程按图6所示将局部剪力墙做加厚处理，将此构件的抗震等级提升到特一级，并在边缘构件范围内设置型钢，以避免剪力墙在地震作用下严重开裂而丧失抗剪承载力。

图6 约束边缘构件

2.4 动力弹塑性时程分析

上文提到动力弹塑性时程分析并不适合用于直接设计，但可以作为等效弹性设计法的一个重要补充。文献[8]提到等效弹性法存在两点缺陷：一是阻尼比的增加程度和连梁折减系数大小估计不准(不同连梁的折减程度及分布规律也是不同的)； 二是内力重分布的机制不能合理模拟，这将导致一些重要构件的内力计算结果可能不准确，并且偏于保守还是偏于危险也无法估计。动力弹塑性时程分析可以从宏观上对结构的抗震性能做出评价，计算模型考虑构件损伤后刚度的退化和内力重分布，从而验证等效弹性设计的可靠性。

计算选用2条天然波(TRB2:TH087TG055;TRB3:TH038TG055)以及1条人工波(RGB1,RH2TG055)进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。计算结果汇总于表4。

表4 各组地震波作用下弹塑性大震计算结果汇总表

图7～图9为结构构件在罕遇地震作用下(Y主方向)的损伤情况。

图7 全楼剪力墙受压损伤云图(东南等轴测图)

图8 一层剪力墙(包括连梁)受压损伤云图

图9 剪二层～三层剪力墙(包括连梁)受压损伤云图

图10 结构顶点位移时程曲线(TRB2-Y)

根据表4以及图7～图10，可得出如下结论：

(1)每条地震波的弹塑性基底总剪力为同方向反应谱CQC计算结果的65%～135%，3条地震波基地剪力的平均值为CQC的80%～120%，满足规范要求。

(2)弹性和弹塑性的最大层间位移角满足规范要求且数值接近，表明结构总体发生刚度退化和进入非线性的程度较低，和图7～图9剪力墙损伤云图的规律相符，即连梁普遍损伤较大，剪力墙损伤较小，这也进一步说明在大震等效弹性分析时连梁刚度折减系数取0.3是合适的。

(3)转换构件在罕遇地震作用下，基本无损坏或损伤程度处于轻微至轻度损伤状态，梁端个别混凝土单元的某些积分点上发生重度损伤，但整个构件能控制在中度损伤范围内。

(4)从图10可以看出，在开始阶段(0～30s)，弹塑性时程分析的基底剪力与弹性时程分析顶点位移曲线基本重合。30s以后，前者周期逐步变长，说明有部分构件累积损伤，导致结构整体刚度退化。

(5)转换层以上底部加强区剪力墙损伤程度较轻，说明按中震工况计算控制的剪力墙数量已足够多，无需再按大震不屈服设计。

3 结论

本文针对部分框支剪力墙结构类型提出了区别于《高规》的性能目标，用等效弹性法对具体工程实例进行分析设计，并用弹塑性时程分析对前者的结果加以验证。计算结果显示:06#楼结构布置合理，具有良好的抗震性能，能满足预期性能目标的要求。对于结构抗震性能目标的选择，本文有以下建议：

(1)《高规》所列的四级抗震性能目标等级涵盖了所有结构类型，是可行的但未必是最合适的，抗震性能目标可根据项目本身的特点进行调整。

(2)框支框架是部分框支剪力墙结构中最为重要的部分，应当采用比D级更高的性能目标，其中框支柱可按中震弹性设计，框支梁按中震抗弯不屈服、抗剪弹性设计，且均应满足大震下最小抗剪截面要求。提升框支框架的抗震性能目标对工程量影响较小。

(3)转换层以上底部加强区的剪力墙是结构的薄弱环节，但如按大震不屈服设计，混凝土用量将增大15%左右，用钢量也将大幅增加，对工程的实用性和经济性影响较大，需慎重对待。可根据弹塑性时程分析结果来判断是否可以适当降低其抗震性能目标。