某带转换层和错层的高层建筑结构的抗震性能分析

2016-12-09石楷锋

工程与建设 2016年3期

关键词：错层屈服剪力墙

石楷锋

(安徽建筑大学土木工程学院, 安徽合肥 230022)

某带转换层和错层的高层建筑结构的抗震性能分析

石楷锋

(安徽建筑大学土木工程学院, 安徽合肥 230022)

以某带局部转换层和错层的高层剪力墙结构为例，采用结构设计软件PKPM进行建模和分析，对结构整体抗震性能进行评估。结果表明：结构具有良好的承载力和屈服机制，满足预期的抗震性能目标,可供同类工程参考。

高层剪力墙；错层；转换层；抗震性能

0 引言

复杂高层建筑结构一般指带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构以及竖向形体收进、悬挑结构[1]。错层结构由于楼板不连续易形成薄弱部位，且错层处易形成短构件，对结构抗震不利[2]。转换层的存在会造成结构在转换部位刚度突变，在地震作用下易产生应力集中现象，而转换构件是整体结构的关键构件，一旦破坏就会发生连续倒塌[3]。文献[1,4]对复杂高层和不规则结构设计计算作出规定,本工程为局部错层和带端部转换的剪力墙结构，可参照相关规范进行结构设计。

1 工程概况

某小区住宅楼采用钢筋混凝土剪力墙结构[5]，地下1层，地上34层，建筑总高度为98.6 m。主楼地下室与大地下室存在错层，住宅与商业也存在错层，住宅4层与商业3层为同一楼层，结构框支转换设于此层。结构平面图和剖面图[6]如图1所示。本工程为丙类建筑，抗震等级为二级，错层处和底部加强部位剪力墙抗震等级为一级，设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为一组，场地类别为二类。

图1 2层结构平面布置和剖面图

1.1 结构的不规则性

本项目为特别不规则结构，属于超限高层建筑工程，该工程同时具有3项不规则情况：① 扭转不规则类型。规范要求偶然偏心的扭转位移比不宜大于1.2，不应大于1.4。分析结果有Y向1.31位移，判断为不规则。② 楼板不连续类型。规范要求有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高。分析结果有商业与住宅之间存在错层，判断为不规则。③ 构件间断类型。规范要求上下墙、柱、支撑不连续，含加强层、连体类。分析结果有商业3层存在转换，判断为不规则。

1.2 抗震性能目标

本工程为A级高度，存在3项以上不规则项，拟建场地地基土工程性质较好，属于对建筑抗震一般地段。综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构本身特点、建造费用和修复难易程度等因素，根据文献[1]对抗震性能目标的划分，本住宅楼楼建筑抗震性能目标定为D级，具体控制指标见表1所列。

表1 抗震性能目标

2 不同地震作用分析

2.1 多遇地震作用下的弹性分析

本工程采用Satwe结构分析程序进行计算，计算模型中定义竖向和水平荷载工况。竖向工况包括结构自重、附加恒荷载以及活荷载，水平荷载工况包括地震作用和风荷载。对于小震的水平地震，分别考虑双向地震以及偶然偏心的影响；考虑不同方向的地震作用，采用振型分解反应谱法，主要计算结果见表2所列。

表2 主要计算结果

由表2结果可知，结构位移比小于规范限值1.4，周期比为0.68，小于规范限值0.9；结构最大层间位移角小于规范限值1/1 000；转换层与层刚度比大于规范限值0.7，转换层下层与上层刚度比大于规范限值0.9。各计算结果均满足规范要求，说明结构设计合理，能达到预期的小震不坏抗震性能目标[6]。

2.2 设防烈度地震作用分析

根据设防烈度地震作用下的抗震性能目标要求，对其进行中震弹性、中震不屈服判别分析，以判别结构在中震作用下的抗震性能。

设计时通过Satwe程序，分析中震作用下结构的抗震性能，计算模型的主要输入参数见表3所列。

表3 主要输入参数

表3结果表明，中震弹性作用下，结构基本处于弹性阶段；中震不屈服作用下，大部分框架梁未出现抗弯承载力屈服，框架梁未出现抗剪承载力屈服，框支梁、柱、剪力墙抗弯、抗剪性能均满足中震性能目标要求。

2.3 罕遇地震作用下静力弹塑性分析

本工程属不规则超限高层，采用PKPM系列软件PUSH，对结构进行罕遇地震下的静力弹塑性分析。检验结构在罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形，控制层间弹塑性位移是否满足小于1/120，并找出结构薄弱部位，判断罕遇地震作用下结构的抗倒塌能力，了解结构塑性铰的形成规律，针对性地优化结构布置。程序中给出混凝土本构关系模型，在混凝土受压应力应变全曲线的上升段采用Saenz曲线，下降段采用直线[7]。梁、柱采用纤维束空间杆单元，剪力墙采用弹塑性墙元[7]。

静力弹塑性分析初始荷载选用重力荷载代表值，水平加载模式选择振型加载模式，并以推覆方向的第一振型作为荷载工况，对结构的X、Y向进行推覆分析，其中侧向位移限值取结构高度的1/20,杆件铰截面刚度破坏程度指数和墙均为0.7，楼板考虑为梁翼缘的相对宽度取6倍翼缘高度，选用计算配筋，超配系数为1.15，得到结构2个方向的抗震性能评估结果。

(1) 结构整体抗震性能。采用美国规范《ATC-40》中关于性能点的确定方法，迭代求解结构性能点的位置，所采用的初始需求谱为我国抗震规范中的弹性反应谱。图2所示为2种加载方式沿X向、Y向正向和反向输入时，结构罕遇地震作用下的Pushover曲线。图2中，曲线1为加速度需求谱曲线，曲线2为周期、加速度曲线(能力曲线)，曲线3为周期、最大层间位移角曲线。

图2 结构罕遇地震作用下的Pushover曲线

由图2可知，能力谱曲线较为平滑，位移与基底剪力基本呈线性递增；曲线在设定位移范围内未出现下降段，表明在抗倒塌能力上有较大余地[8]。

自定义加载模式沿2个方向作用下罕遇地震性能点的结构最大层间位移角，X向结构的最大层间位移角为1/296，Y方向的最大层间位移角为1/265，均小于规范限值1/120。X向、Y向顶点位移分别为256.3 mm、319.4 mm，实际得到性能点时结构顶点位移均不大，反映结构具有合适的刚度，满足性能目标设定要求，完全满足大震不倒的设防要求。

(2) 结构构件抗震性能。Pushover推覆结果显示结构2个方向中间一些楼层的连梁率先出现塑性铰，进入弯曲屈服状态，之后向结构顶部、底部发展。随着加载步的增加，剪力墙的连梁普遍进入屈服状态，作为耗能构件的部分框梁也进入屈服状态，且框梁普遍晚于连梁进入屈服状态，表明结构具有良好的耗能体系。图3所示为性能点时错层处楼层塑性铰分布图，性能点时，结构部分墙肢出现拉应力水平裂缝，裂缝至5层止，个别墙肢的局部部位受剪屈服，但比例极小，受剪截面和抗剪承载力经复核后，均能满足受剪不屈服要求，不会出现整片墙肢的剪切屈服和破坏[9]。框支梁柱也均未出铰，处于弹性状态，表明结构具有很好的延性和足够的安全储备。