某超高层剪力墙住宅中连廊对结构影响的抗震分析

曲宪伟

（广州市住宅建筑设计院有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

随着高层及超高层住宅的普及，住宅户型也在不断更新完善，为了保证每一户都拥有良好的居住体验，连廊户型被大量使用，对于结构而言，连廊结构起到连接两侧结构共同受力的作用，但是连廊处的结构设计较为狭窄，属于结构较为薄弱的部位，比较容易发生破坏而影响结构安全，为防止连廊失效后出现较大的结构变形及构件损伤[1]，利用弹塑性计算软件SAUSAGE，以某超高层剪力墙住宅为例建立有限元模型，对无连廊模型进行罕遇地震下的抗震分析，通过与原模型对比分析，提出相应的加强措施保证结构安全。

1 结构模型与动力特性

某超高层剪力墙住宅位于山西省太原市。地下两层地上46层，主体总高度143.900m（含室内外高差0.300m），采用全现浇混凝土剪力墙结构，安全等级为二级，抗震设防烈度为Ⅷ度（0.2g），场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组。标准层平面如图1所示。

图1 标准层平面

结构平面布置在结构设计中起着重要的作用。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）[2]，高层建筑布置宜具有简单、规则的结构平面，刚度和承载力分布均匀。严重不规则的布置不应采用。地震区内高层建筑的平面布置应满足以下要求：平面布置应简单、规则、对称，并应减小偏心。

该超高层结构体系采用全现浇钢筋混凝土剪力墙结构。根据建筑平面布置及建筑功能，并结合结构抗侧刚度的需要，在电梯井、楼梯间、外围护墙以及内隔墙等不影响建筑功能的位置设置剪力墙，剪力墙墙厚自下向上从400mm逐渐减薄至200mm。外围连梁在不影响建筑立面情况下尽可能加高，以提高整体结构的侧向刚度。在结构侧向位移满足规范要求的前提下，尽量控制剪力墙身厚度及长度和楼板厚度，以减轻结构自重，从而减小地震下的反应。同时，剪力墙也承担竖向荷载，可以通过增加墙厚以及混凝土的强度满足竖向承重要求。剪力墙之间通过楼面框架梁及楼板相连。楼面梁向剪力墙传递竖向荷载，同时还可以协同形成多肢剪力墙共同抵抗侧向荷载。

结构抗侧向力体系的竖向布置对结构性能有很大的影响。良好的竖向构件布置不仅能满足建筑使用功能的要求，更重要的是还能满足结构的安全性和强度传递的要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）（以下简称《高规》）第3.5.1～3.5.9条对高层结构的竖向布置有相关的规定。控制结构竖向布置合理性的参数有承重能力比、刚度比、剪切比等。本工程通过调整结构构件的布置，控制各项参数在合理范围之内。在结构的布置中，扭转效应是不可避免的，因为质心不能与刚性中心完全重合。除了考虑平面的形状外，还需要通过布置抗侧向力的构件来提高结构的扭转强度。本工程通过增加外围墙长墙厚以及连梁高度提高结构的抗扭性能，本工程的主要抗侧力体系由钢筋混凝土剪力墙以及框架梁共同构成。

1.1 有限元模型

该超高剪力墙住宅的三维有限元模型如图2所示。其中梁、柱的非线性模型采用纤维梁进行模拟，剪力墙和楼板采用弹塑性的分层壳单元模拟。该项目采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法[3]，不采用任何理论的简化，并且直接模拟地震力作用下结构的非线性响应。同时考虑几何非线性和材料非线性，可以精确模拟全过程结构损伤变化直到最后的倒塌。

图2 无连廊和有连廊模型

1.2 结构动力特性

根据上述形成的有限元模型（有连廊），采用WYD-RITZ法[4]进行求解，其前十阶阵型如表1所示，前三阶振型如图3所示。

表1 结构周期分布

图3 塔楼结构前三阶振型

在结构的动力分析过程中，阻尼值对结构的动态响应振幅有很大的影响。弹性分析中，通常采用模态阻尼ξ来表示，可以满足分析要求。而在弹塑性分析中，因为采用直接积分法方程求解，刚度和振型均为变值，不能直接换算出阵型阻尼。一般采用瑞利阻尼来模拟模态阻尼。瑞利阻尼分为质量阻尼α与刚度阻尼β两部分且与模态阻尼的转换关系如式（1）、式（2）所示。

式中：[C]——结构阻尼矩阵；[M]——结构质量矩阵；[K]——刚度矩阵；ω1——结构的第1周期；ω2——结构的第2周期。

2 罕遇地震下有无连廊动力弹塑性分析比较

2.1 地震波选取

选取一组满足《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）5.1.2[5]的要求地震波如图4所示，地震波包含X、Y二个方向，共2条不同波形的地震波进行弹塑性时程分析，各地震波输入的地震加速度最大值均为400cm/s2，主次方向地震波峰值加速度比为1∶0.85[6]。地震波满足规范分析时考虑二向地震波输入。

图4 地震波时程曲线

2.2 有连廊与无连廊模型分析比较

本工程的结构平台与连廊处连接存在薄弱连接，可能在大震下由于局部连廊破坏而形成整体倒塌，针对取消连廊进行分析，并与有连廊模型墙体受压损伤及墙体钢筋应变比较（X向地震作用下）如图5所示。

图5 墙体受压损伤及墙体钢筋应变/屈服应变

混凝土的压缩损伤因子、拉应力损伤因子和钢筋的塑性变形程度是评价构件损伤的主要标准。梁和柱构件的性能水平为单元性能水平的最大值，墙板构件的性能水平为单元的平均加权性能水平。

结合本工程大震需满足性能水准4的要求。SAUSAGE与《高规》中构件的损坏程度对应关系如表2所示。

表2 SAUSAGE与《高规》中构件的损坏程度对应关系

3 结语

（1）大震作用下无连廊模型在北侧山墙损伤加大，但均未超过中度损坏，满足剪力墙（关键构件）不超过轻度损坏，普通竖向构件不超过中度损坏的性能目标。

（2）无连廊剪力墙竖向钢筋应变/屈服应变最大比值约1，有连廊剪力墙钢筋钢筋应变/屈服应变最大比值约为0.62，无连廊剪力墙竖向钢筋应变最大值接近于屈服。施工阶段应在底部加强部位采取增加竖向分布钢筋配筋率的措施进行加强。