8.5度设防区剪力墙结构层间位移角限值探讨

季静 林浩宇 付豪 吴梓楠 韩小雷

摘要：

为满足小震作用下结构层间位移角限值的要求，抗震设防高烈度区设计的结构竖向构件多，截面尺寸大，影响建筑使用空间。控制小震作用下的层间位移角除满足舒适度、装饰结构和机械设备正常使用的需求外，主要目的是确保结构大震不倒。根据新疆喀什地区（8.5度设防）128条强震地震动和当地实际工程，参照现行不同规范对层间位移角限值的规定，以层间位移角和高度为控制参数，设计6个剪力墙结构模型，采用基于构件变形的抗震性能评估方法研究大震作用下结构的安全性。结果表明：6个剪力墙结构在8.5度大震作用下均满足“大震不倒”的要求，且在两倍大震作用下具有合理的屈服耗能机制。建议小震作用下新疆喀什地区剪力墙结构的弹性层间位移角限值放松至1/500。

关键词：

高烈度区; 剪力墙结构; 层间位移角限值; 构件变形; 抗震性能

中图分类号： TU973      文献标志码：A   文章編号： 1000-0844（2023）02-0251-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20211012001

Discussion on the story drift ratio limits of shear wall structures

in seismic fortification areas with 8.5 degree earthquake

JI Jing1，2， LIN Haoyu2， FU Hao2， WU Zinan2， HAN Xiaolei1，2

（1. State Key Laboratory of Subtropical Building Science， South China University of Technology， Guangzhou 510640， Guangdong， China;

2. School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology， Guangzhou 510641， Guangdong， China）

Abstract：

To meet the requirements of the story drift ratio limits of structures impacted by small earthquakes， the section sizes of many vertical members are large， especially in seismic fortification areas with high seismic activity. In addition to meeting the requirements of comfort and normal use of decorative structures and mechanical equipment， the main purpose of controlling the story drift ratio under a small earthquake is to ensure that the structure will not collapse under a large earthquake. According to the data of 128 strong earthquake waves in Kashgar， Xinjiang （intensity 8.5 degrees） and local projects， and by referring to the provisions of different codes on story drift ratio limits， six shear wall structural models are designed by taking the story drift ratio and height as control parameters. The seismic performance evaluation method based on member deformation is used to study structural safety under large earthquakes. Results indicate that the six shear wall structures meet the requirement of “no collapse under large earthquakes” under the action of an 8.5-degree earthquake and possess a reasonable yield energy dissipation mechanism under twice the impact. The limit value of the elastic story drift ratio of the shear wall structure in Kashgar （Xinjiang， China） can be relaxed to 1/500 under small earthquakes.

Keywords：

high-intensity area; shear wall structure; story drift ratio limit; component deformation; seismic performance

0 引言

我国规范对高层建筑结构层间位移角有严格的控制指标［1］，目的是使结构具有足够的侧向刚度，保证结构正常使用和在大震作用下的安全性。然而在抗震设防高烈度区，为严格满足此要求，结构竖向构件多，截面尺寸大，影响建筑使用空间，导致结构所受地震作用增大，对结构抗震不利［2］。广东省分别在2013年和2021年颁布标准《高层建筑混凝土结构技术规程（DBJ 15-92—2013）》 ［3］和《高层建筑混凝土结构技术规程（DBJ/T 15-92—2021）》［4］（简称广东省高规），对小震作用下剪力墙结构的弹性层间位移角限值从1/1 000放松为1/800、1/500，但其可行性需要通过大震作用下的结构安全性进行验证。

大震作用下不同地震动导致结构发生不同程度的损坏［5］。采用建筑所在场地记录到的真实地震动，可充分反映场地的动力特性，更加准确地预测大震作用下构件的损坏程度和结构安全性［6］。本研究以新疆喀什地区记录到的128条强震记录为基础，参考当地已建的实际工程，设计6个剪力墙结构模型，通过大震动力弹塑性时程分析，验证结构层间位移角限值放松的可行性。

1 基于构件变形的抗震评估方法

文献［7］通过大量试验回归和数值模拟，得到一整套完整的钢筋混凝土梁、柱、剪力墙构件在不同性能水准下的构件性能指标。对于弯曲破坏和弯剪破坏的构件，进行正截面变形复核，正截面按损坏程度划分为7个性能状态等级：“完好”“轻微损坏”“轻度损坏”“中度损坏”“比较严重损坏”“严重损坏”“失效”;对于剪切破坏的构件，进行承载力复核，划分为5个性能水准：“弹性”“不屈服”“极限”“满足最小截面”“截面超限”。采用上述研究成果可以对大震作用下剪力墙结构构件损坏程度和结构安全性进行定量评估。

2 结构模型建立

2.1 模型设计

新疆喀什地区设防烈度为8.5度（8度，0.30g，本文统称8.5度），Ⅱ类场地土，设计地震分组为第三组，特征周期为0.45 s。根据当地实际工程，结合现行规范对层间位移角限值的规定，设计了6个剪力墙结构模型（表1）。结构平面布置及立面简图如图1所示［图1（b）中红色部分为删除的墙肢］。结构首层层高4.6 m，标准层层高2.9 m。

剪力墙抗震等级取一级，对应的轴压比限值为0.5。为了降低风荷载的影响，保证地震起主要控制作用，所有模型的基本风压统一取0.30 kN/m2，恒、活载均按《建筑结构荷载规范（GB 50009—2012）》［8］取值。构件截面尺寸如表2所列，混凝土强度等级如表3所列。

2.2 小震弹性计算结果

采用YJK软件建立YJK模型对结构进行小震弹性设计，结构竖向构件的轴压比、周期比、扭转位移比、剪重比等设计参数均满足规范要求。模型前3周期和最大层间位移角如表4所列，弹性层间位移角接近相应规范限值。

2.3 地震动选取

2020年1月19日和2月21日，新疆喀什地区发生了两次地震，震级分别为6.4级和5.1级。两次地震震中相距23 km，与喀什市区相隔约100 km。两次地震共收集到128条地震动，可以作为喀什地区结构动力时程分析的选波依据［9］。

本文研究新疆喀什地区的实际结构，且有足够数量的喀什地区强震记录，故针对每个模型，从128条地震动中按《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》［10］（简称抗规）的要求选取7条天然波，记为GM1～GM7。

由于篇幅有限，仅列举A1模型所选取的地震动反应谱与规范反应谱的相对误差及结构基底剪力对比（表5、6）。结构的地震动反应谱对比如图2所示。

2.4 弹塑性模型验证

采用Perform-3D软件建立Perform-3D模型对结构进行大震弹塑性分析，验证弹塑性模型和计算结果的有效性，并进一步分析结构进入塑性状态下的响应及构件的损伤程度。对比YJK模型与Perform-3D模型计算的前3周期，发现误差均小于10%，说明Perform-3D模型基本正确。由于篇幅有限，仅列举A1模型的结构周期对比（表7）。

6个结构模型大震弹塑性与大震弹性基底剪力和基底倾覆弯矩的对比如表8所列，可见结构在大震作用下进入塑性状态，刚度降低，地震作用减小，且X方向比Y方向的塑性状态更加严重。

3 大震性能分析

3.1 弹塑性层间位移角

6个结构模型在小震和大震作用下的最大层间位移角平均值列于表9。由表9可见，小震作用下放松层间位移角限值的结构仍然可以满足规范对大震层间位移角限值的要求，小震作用下层间位移角较大的结构，大震作用下其层间位移角仍然偏大。

3.2 构件耗能分析

大震作用下结构各构件（连梁、框架梁、剪力墙、端柱）的非线性耗能占比如图3所示。

由图3可见，对于每一个结构，连梁单元的耗能在总的非线性耗能中占据了绝大部分，其次是框架梁，剪力墙单元仅有极少部分耗能。这表明：连梁单元作为第一道防线，其塑性耗能能力强，在结构承受地震作用时耗散了大部分地震能量;框架梁的耗能能力弱于连梁，但仍承担了一部分耗能;剪力墙单元承担极少部分耗能。这符合“强墙弱连梁”的设计概念。

3.3 连梁性能分析

连梁正截面性能状态平均值占比如图4所示。可见：6个结构均有超过50%的连梁进入塑性，结构侧向刚度越小，比例越大，其中A2、B3结构出现少量连梁单元抗弯失效，中部楼层连梁破坏最严重;当结构高度相同时，随着侧向刚度的降低，连梁正截面损坏逐渐加深。

X、Y方向连梁进入塑性状态的比例如图5所示。可见：X向占比大于Y向，同時X向连梁数量远远大于Y向，X向连梁耗能也远远超过Y向，与表8的结果相互印证。

连梁斜截面性能状态平均值占比如图6所示。可见：连梁斜截面损坏轻微，远小于正截面损坏;绝大多数单元处于斜截面弹性状态，仅A1、A2、A3和B3结构极少部分连梁单元出现截面超限，不影响结构整体抗震性能;随着结构高度增大，连梁抗剪损坏程度降低。

另外，选取结构中发生截面超限破坏的一榀连梁进行大震下正截面、斜截面性能状态对比，结果如图7（红色箭头部分）、图8所示。连梁尺寸列于表10。

A1～A3结构中，由于连梁跨度较小，承受地震作用较大，在小震弹性设计中，为了使其满足斜截面抗剪承载力，人为加大了连梁高度，导致其跨高比较小。在局部楼层，连梁斜截面处于超限状态时，正截面处于无损坏状态，即连梁发生剪切破坏，对结构抗震不利。

而B1～B3结构中，连梁高度显著减小，在连梁正截面处于失效状态时，斜截面仅处于抗剪弹性状态，即连梁发生弯曲破坏。弯曲破坏属于延性破坏形式，梁有较好的非线性变形和耗能能力，即抗震设计概念中提倡的“强剪弱弯”。

通过连梁正截面与斜截面性能状态对比可知，大部分连梁单元的抗剪承载力大于抗弯承载力，能够避免剪切破坏。

3.4 剪力墙性能分析

在8.5度大震作用下，6个结构剪力墙的正截面破坏很少，基本处于无损坏状态。

剪力墙斜截面性能状态平均值占比如图9所示。由图可见，大部分剪力墙斜截面处于抗剪弹性状态，小部分满足抗剪不屈服、抗剪极限承载力要求;所有斜截面均满足抗剪最小截面要求，未发生剪切破坏。

综上，通过8.5度大震作用下的结构弹塑性分析可知，随着结构刚度放松，连梁屈服比例增加，损坏程度加大，剪力墙正截面基本无损坏，斜截面损坏程度降低。这主要是由于结构刚度降低导致地震作用减小，大震作用下结构损坏程度降低，均满足“大震不倒”。

4 倒塌机制探究

为进一步探究超大震作用下结构的倒塌机制，从128条地震动中挑选出PGD、PGV值较大的一条地震动MGM（图10），以第一片剪力墙（不包括小墙肢）失效作为判定结构倒塌的依据，分别对A3、B3结构模型（考虑2个地震加速度工况：0.51g、1.02g）进行弹塑性分析［11-16］，揭示其屈服机制，继续验证弹性层间位移角和高度放松的可行性。

4.1 弹塑性层间位移角

两个结构在MGM作用下的弹塑性层间位移角如图11所示。在一倍大震（0.51g）和两倍大震（1.02g）下，结构的弹塑性层间位移角均超过规范限值1/120。

4.2 连梁性能状态

连梁正截面性能状态占比如图12所示。随着地震加速度的提高，连梁正截面损伤严重且显著加深;在两倍大震下，大部分连梁单元进入了失效状态。连梁单元在强震作用下产生较大的变形，大量消耗地震能量，降低结构自振周期的同时还能降低地震反应。

连梁斜截面性能状态占比如图13所示。随着地震加速度的提高，连梁斜截面的损伤发展不明显，大部分连梁单元仍然保持抗剪弹性。

框架梁破坏规律与连梁类似，在此不做赘述。

4.3 剪力墙性能状态

剪力墙正截面性能状态占比如图14所示。随着地震加速度的提高，在两倍大震下结构发生失效破坏的剪力墙单元占比明显增大，但大部分都是小墙肢失效（A3结构第1层、B3结构第2层），不会导致结构倒塌。A3、B3结构分别因为第2层、第7层的大片剪力墙单元失效而最终倒塌（图15）。

剪力墙斜截面性能状态占比如图16所示。随着地震加速度的提高，剪力墙斜截面损伤程度逐渐增大。在两倍大震下，由于地震动的特性不同，B3结构在第6层出现了单片剪力墙单元截面超限破坏，如图17所示。除此之外，其余剪力墙单元均满足抗剪最小截面要求，基本上满足“强剪弱弯”的设计概念。

随着地震加速度的增大，連梁、框架梁破坏显著增加，而剪力墙破坏增加不明显，表明连梁、框架梁作为耗能构件耗散了大部分地震能量，这与3.2节中对构件的耗能分析一致。这种合理屈服机制实现了“强墙弱连梁”的抗震设计思想，保证了剪力墙的安全性，确保结构不会倒塌。

5 结论

（1） 随着剪力墙结构位移角限值的放松，连梁、剪力墙基本可以满足“强剪弱弯”的要求;连梁损坏加重，剪力墙损坏减轻。

（2） 随着剪力墙结构位移角限值的放松，在超大震作用下剪力墙结构仍然具有“强墙弱连梁”的合理屈服机制。

（3） 连梁是剪力墙结构重要的耗能构件，应严格控制连梁跨高比;连梁屈服后结构刚度降低，结构地震作用减小，从而保证了剪力墙结构安全。

（4） 弹性层间位移角放松到1/500后，在8.5度大震作用下，结构依然可以满足“大震不倒”，且符合“强剪弱弯”“强墙弱连梁”的抗震设计概念。因此，建议小震作用下新疆喀什地区剪力墙结构弹性层间位移角限值放松至1/500。

参考文献（References）

［1］ 韩小雷，张垒，杨光，等.地震作用下中美规范RC结构层间位移角限值的对比研究［J］.土木工程学报，2020，53（1）：31-38.

HAN Xiaolei，ZHANG Lei，YANG Guang，et al.Comparative study on story drift limits of RC structures under earthquakes between Chinese codes and American codes［J］.China Civil Engineering Journal，2020，53（1）：31-38.

［2］ 幸晓娇.高烈度区RC框架结构基于性能设计的层间位移角限值研究［D］.海口：海南大学，2017.

XING Xiaojiao.Study on drift limitation of a RC frame structure in high seismic intensity region with performance-based design［D］.Haikou：Hainan University，2017.

［3］ 广东省住房和城乡建设厅.高层建筑混凝土结构技术规程：DBJ 15-92—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

Department of Housing and Urban-Rural Development of Guangdong Province.Technical specification for concrete structures of tall building：DBJ 15-92—2013［S］.Beijing：China Architecture & Building Press，2013.

［4］ 广东省住房和城乡建设厅.高层建筑混凝土结构技术规程：DBJ/T 15-92—2021［S］.北京：中国建筑工业出版社，2021.

Department of Housing and Urban-Rural Development of Guangdong Province.Technical specification for concrete structures of tall building：DBJ/T 15-92—2021［S］.Beijing：China Architecture & Building Press，2021.

［5］ 朱春明，程小燕，陈岩，等.地铁上盖带转换层框架结构动力弹塑性时程分析［J］.建筑结构，2014，44（5）：66-70.

ZHU Chunming，CHENG Xiaoyan，CHEN Yan，et al.Dynamic elastic-plastic time-history analysis on frame structure with transfer storey above the subway［J］.Building Structure，2014，44（5）：66-70.

［6］ 韩小雷，谢灿东，季静，等.长周期结构弹塑性时程分析的地震波选取［J］.土木工程学报，2016，49（6）：46-50.

HAN Xiaolei，XIE Candong，JI Jing，et al.Ground motion selection for elasto-plastic time-history analysis of long-period structure［J］.China Civil Engineering Journal，2016，49（6）：46-50.

［7］ 韩小雷，季静.基于性能的钢筋混凝土结构抗震：理论研究、试验研究、设计方法研究与工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2019.

HAN Xiaolei，JI Jing.Performance-based seismic design of reinforced concrete structure［M］.Beijing：China Architecture & Building Press，2019.

［8］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB 50009—2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.Load code for the design of building structures：GB 50009—2012［S］.Beijing：China Architecture & Building Press，2012.

［9］ 李文倩，朱皓清，何金刚.2020年1月19日新疆伽师MS6.4地震强震动记录特征初步分析［J］.内陆地震，2020，34（1）：63-69.

LI Wenqian，ZHU Haoqing，HE Jingang.Characteristics of strong motion records of Xinjiang Jashi MS6.4 earthquake on January 19th，2020［J］.Inland Earthquake，2020，34（1）：63-69.

［10］ 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China，General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China.Code for seismic design of buildings：GB 50011—2010［S］.Beijing：China Architecture & Building Press，2010.

［11］ 張进国，王洋，徐龙军.基于性态设计的钢筋混凝土结构地震易损性分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2018，39（10）：1598-1604.

ZHANG Jinguo，WANG Yang，XU Longjun.Seismic vulnerability analysis of reinforced concrete structures based on performance design［J］.Journal of Harbin Engineering University，2018，39（10）：1598-1604.

［12］ 韩小雷，庄朝禄，季静，等.基于构件变形的RC剪力墙结构地震抗倒塌准则对比研究［J］.土木工程学报，2020，53（增刊2）：34-39.

HAN Xiaolei，ZHUANG Chaolu，JI Jing，et al.Comparative study on seismic collapse resistance criteria of RC shear wall structures based on component deformation［J］.China Civil Engineering Journal，2020，53（Suppl02）：34-39.

［13］ 建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程：DBJ/T 15-151—2019［S］.北京：中国城市出版社，2019.

Specification for performance-based seismic design of reinforced concrete building structure：DBJ/T 15-151—2019［S］.Beijing：China City Press，2019.

［14］ ASCE/SEI 41-13 Seismic evaluation and retrofit of existing buildings［S］.Virginia：American Society of Civil Engineers （ASCE），2014.

［15］ BARADARAN SHORAKA M，YANG T Y，ELWOOD K J.Seismic loss estimation of non-ductile reinforced concrete buildings［J］.Earthquake Engineering & Structural Dynamics，2013，42（2）：297-310.

［16］ 徐培福，黃吉锋，陈富盛.近50年剪力墙结构震害及其对抗震设计的启示［J］.建筑结构学报，2017，38（3）：1-13.

XU Peifu，HUANG Jifeng，CHEN Fusheng.Earthquake damages to shear wall structure in last fifty years and seismic design enlightenment［J］.Journal of Building Structures，2017，38（3）：1-13.