平面非规则高层住户楼房中剪刀墙框架的应用与研究

孟瑞军 MENG Rui-jun

（中铁建设集团华东工程有限公司，昆山 215300）

0 引言

高层住宅建设非常注重建筑的安全性和质量，因此需要对钢筋混凝土结构进行精细化的设计和施工，保证其稳定性和材料性能[1-3]。然而，随着建筑高度的不断增加，框架结构的节点应力集中，侧向刚度小，而剪刀墙结构又存在墙间距离限制和开洞难度等问题，使得结构的灵活性和抗侧性能变得不可兼得[4-6]。研究针对平面不规则超限高层住宅，提出了适合该类建筑的框剪结构加强措施，将展示框剪结构在抗震性能、土建造价和建筑空间的方面具有明显优势。

1 平面非规则高层住户楼房中剪刀墙框架抗震性能化设计

1.1 性能目标的确定

抗震性能化设计旨在确保建筑物在地震作用下不会超过预期的破坏程度，从而保障人员的生命安全，同时也避免过多的经济损失[7-8]。根据建筑抗震设计规范所提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，抗震性能目标主要包括三个方面，具体如表1 所示。

表1 抗震性能目标描述

对应性能水准1，构件的抗震承载力应符合式（1）要求。

式（1）中Rk表示构件的承载力，ξ 表示利用系数，η 表示关键构件取值，与表示构件内力标准值。对应性能标准2，构件抗震承载力应符合式（2）要求。

对应性能水准3，构件受剪截面应符合式（3）要求。

式（3）中VGEK表示重力荷载按代表值取值的构件剪力标准值，V**EK表示大震作用计算的构件剪力标准值，无增大系数，ζ 表示剪压比。性能水准4 的计算方式与性能水准2 相同，只改变压、剪工况。建筑地震破坏等级划分标准如表2 所示。

表2 建筑地震破坏等级

研究可以将建筑地震破坏等级分为五个级别，分别是完好、轻微损坏、轻中等损坏、中等损坏和严重损坏。完好状态下所有构件没有任何破损痕迹。轻微损坏状态下建筑构件可能发生塑性形变。轻中等损坏状态下建筑构件的可修复性下降。中等损坏状态下建筑构件已经出现较为明显的塑性变形。严重损坏状态下建筑构件已经严重受损，需要进行局部拆除并重建。

1.2 小震验算抗震性能化设计

综合抗震性能目标描述与抗震性能化设计是一种针对建筑结构的抗震设防设计方法。其步骤如下：首先，需要明确结构的抗震性能目标。其次，需要建立整体弹性模型，并进行“小震不坏”的弹性计算。整体验算流程如图1 所示。

图1 小震计算流程

对于特别不规则建筑、甲类建筑或规范规定的超高建筑，还需要进行小震弹性时程补充分析。其次，需要按照“三水准、二阶段”的第二水准要求进行“中震可修”结构验算。楼板主拉应力设计值如式（4）所示。

式（4）中θ 表示应力夹角，γRE表示承载力抗震调整系数，S 是指楼板钢筋间距，h 表示楼板厚度，As表示水平筋总面积，下标v 和h 分别表示y 和x 的平行方向。当楼板为双层双向配筋时，式（4）可演化为式（5）。

非线性构件运动方程则如式（6）所示。

式（6）中M 表示质量矩阵，C 表示阻尼矩阵，K 表示刚度矩阵，F（t）表示节点动力荷载。

2 地震结构验算分析

2.1 小震验算

研究从地震波带来的振动程度入手，将地震波划分为小震、中震与大震三种类型进行分析。针对小震，选择底部剪力、倾覆弯矩、最大房间位移角三种指标进行分析。研究除了使用数据库中已有的自然波外，还纳入人工波进行分析，具体人工波波形如图2 所示。

图2 人工波波形

以自然波与人工波为基础，小震验算结果如图3 所示。

由图3，各个地震波下的底部剪力方向X和Y 的数值范围不同。反应谱法分析的结果为6802.317 和6824.732，和其他地震波分析的结果相比，结果略低。各个地震波下的倾覆弯矩方向X和Y 的数值范围不同，其中chi-chi,Taiwan 地震波的倾覆弯矩方向数据较为接近，说明该地震波的对建筑结构的影响比较大。结果说明该方法能够更准确地反应小震下建筑结构的变形情况。

2.2 中震验算

针对中震，研究将工况划分为失效、严重损坏、较严重损坏、中度损坏、轻度损坏、轻微损坏与无损坏七种情况进行分析。中震验算下，不同工况下剪刀墙正截面性能状态如表3 所示。

表3 中震验算结果

如表3，前两种工况下剪刀墙的正截面均未出现任何损坏，说明该剪刀墙能够承受较大的地震荷载。无损工况下，可以看到包络值列的数据为0，表明该剪刀墙在地震荷载下没有出现任何损坏。此外，前两种工况下的剪刀墙，其微损栏数据均为0.1，说明微小的损伤对该剪刀墙的正截面性能状态没有产生显著的影响。对于微损工况下的剪刀墙，NONI111446_X0 的微损栏为0.1，说明该剪刀墙可能出现了轻微的损伤。结果表明这些剪刀墙在微损工况下也表现得非常可靠，具有很好的抗震能力。

2.3 大震验算图片

针对大震，研究将主要从基层剪力与顶层位移两个角度入手，并进行两个侧面的分析，进而判断地震波性质是否会对演算结果产生影响。基层剪力与房间位移角变化如图4 所示。

图4 基层剪力与房间位移角变化

根据图4 的楼层位移角与基础剪力变化曲线得出，大震验算结果如图5 所示。

图5 大震验算结果

首先，在基底剪力方面，四个维度的结果分 别 为 19466kN、15255kN、20712kN 和7543kN， 在这些方法中， 天然波NONI1114460 的结果最大，CQC 反应谱法的结果最小。顶层位移方面，四个维度的结果分别为0.576m、0.289m、0.61m 和0.063m，其中，天然波NOAKI1408430 的结果明显偏小，其他三种结果比较接近。可以看出地震波的性质会对结果产生较大的影响。

3 结论

该研究对平面非规则高层住户楼房中剪刀墙框架进行抗震性能化设计。解决方法包括整体弹性模型建立、小震弹性计算和内力调整等因素考虑，中震结构设计以及大震验算分析，得出以下结论：①小震中各个地震波底部剪力方向X 和Y 的数值范围在5900 到8700。倾覆弯矩的数值范围在380000 到780000。②中震中剪刀墙在不同工况下表现出不同的损伤情况，但整体性能良好，能够承受较大的地震荷载。在所有的工况下，剪刀墙均未出现失效或严重损坏。在某些轻微工况下，剪刀墙存在微损坏或无损情况。③在大震中，基底剪力方向四个维度的结果分别为19466kN、15255kN、20712kN 和7543kN。顶层位移方向四个维度的结果分别为0.576m、0.289m、0.61m和0.063m。不同地震波的性质对地震响应结果产生较大的影响，存在明显差异。