内置钢支撑组合剪力墙有限元整体分析研究

戴明明++陶忠++郭春红

摘要：现阶段学者们研究的组合剪力墙在250米以下超高层建筑中的应用具有一定的局限性。本文提出一种更加适合在100米至300米的高层建筑中使用的内置钢支撑组合剪力墙。本文针对所提出的内置钢支撑组合剪力墙，结合昆明某一高层剪力墙结构，基于SAP2000对普通剪力墙结构与内置钢支撑组合剪力墙结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。通过对两种结构的层间位移，层间剪力，底层部分剪力墙的受力状态以及塑性铰发展情况做对比分析。结果表明：内置钢支撑组合剪力墙的刚度，承载能力相比普通剪力墙有较大提高。

Abstract： At present， scholars have studied the application of composite shear walls in super high-rise buildings below 250 meters， which has some limitations. This paper presents a composite steel shear wall with built-in steel support， which is more suitable for high-rise buildings from 100 meters to 300 meters. This paper proposed the composite shear walls with built-in steel support， combined with a high-rise shear wall structure in Kunming， and based on SAP2000， made an elastic-plastic time history analysis on ordinary shear wall structure and composite shear wall structure with built-in steel support under rare earthquake. Through the analysis of the interlayer displacement， the interlaminar shear force， the stress state of the lower part of shear wall and the plastic hinge development of the two kinds of structures， the paper makes a comparative analysis. The results show that the stiffness and carrying capacity of the composite shear wall with built-in steel support are higher than those of the ordinary shear wall.

關键词：超高层；剪力墙；内置钢支撑剪力墙；SAP2000；罕遇地震

Key words： super high-rise；shear wall；shear wall with built-in steel support；SAP2000；rarely encountered earthquake

中图分类号：TU973+.16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0128-03

0 引言

本文基于钢板混凝土组合剪力墙和内藏钢桁架混凝土组合剪力墙[1-5]提出新型内置钢支撑组合剪力墙。这种剪力墙具有良好的抗震性能，施工构造简单，造价经济，适用于100米至300米的高层建筑，特别是对在高烈度地区的高层建筑的使用，具有重要意义。它的结构包括以下几个部分：钢筋混凝土墙体，内置于墙体中的型钢框架和沿型钢框架对角线的钢带支撑。其构造见图1。

这种结构具有以下特点：

①钢框架提高剪力墙的竖向承载力和抗侧刚度；

②钢框架连同剪力墙内的钢筋网使剪力墙内混凝土处于三相约束状态，从而获得更高的承载力；

③斜向支撑钢带约束钢框架的侧向变形，获得更好的侧向刚度；

④钢带与混凝土无锚固措施，允许钢带发生轴向拉压变形，获得更好的耗能能力；

⑤钢框架与钢带通过节点板连接，构造简单，施工难度低。钢框架之间采用钢带连接，可以避免混凝土浇筑的密实型，施工质量容易保证。

本文对提出的新型组合剪力墙使用SAP2000软件进行模拟。通过有限元进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。对比普通剪力墙和新型内置钢支撑组合剪力墙两种结构的层间位移，层间剪力，底层部分剪力墙的受力状态以及塑性铰发展情况，了解抗震性能。

1 基于SAP2000的剪力墙高层住宅模型建立

本文所分析工程位于云南省昆明市为剪力墙结构。结构层数为地上25层，地下一层，地震烈度为8度，抗震设计基本地震加速度值为0.2g，场地特征周期为0.45s，场地类别为二类。

原工程由PKPM设计软件完成，使用盈建科软件将原PKPM模型转换为SAP2000的.S2K文件，进而使用SAP2000进行模型的后期修改。转换后的模型包含结构的荷载信息，部分配筋信息以及与原模型一致的墙，梁的布置。组合剪力墙布置的楼层为底部加强层1至4层，对称布置在结构外围。SAP2000普通剪力墙结构与内置钢支撑组合剪力墙整体结构模型见郭春红毕业论文[6]。

经反复对模型进行修改，剪力墙整体结构的STAWE模型与转换后的SAP2000模型质量差值，结构自振的前三阶周期以及反应谱法计算的层间剪力差值均满足模型转化的要求，可以进行SAP2000模型的分析。

其中SAP2000普通剪力墙结构模型与原PKPM模型信息对比如表1-表3所示。

2 内置钢支撑组合剪力墙高层建筑的整体动力分析项目

我国抗震设计规范要求采用二阶段三水准的设计方法[7]。第一阶段设计是承载力和使用状态下的变形验算。取多遇地震时的众值烈度。此时建筑处于使用状态，视建筑为弹性体系，采用反应谱理论计算地震作用。用弹性方法计算内力和位移，进行荷载效应组合。然后按极限状态方法设计构件，满足规范对中震设防烈度的响应要求。第二阶段设计是弹塑性变形验算。对特殊重要的建筑、地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，除进行第一阶段设计外，还要进行罕遇地震作用下结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算（包括时程分析法的补充计算），并采用相应的抗震构造措施，实现第三水准大震不倒的设防要求[7-8]。

因原设计的普通剪力墙结构在多遇地震下的承载能力已经满足要求，本文重点在获得一种相对简便的内置钢支撑组合剪力墙弹塑性分析的方法，并初步了解内置钢支撑组合剪力墙在整体结构中的作用。故本文只对普通剪力墙高层建筑结构和内置钢支撑组合剪力墙高层建筑进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。对比普通剪力墙结构和内置钢支撑组提出的内置钢支撑组合剪力墙结构的分析结果。罕遇地震作用下的弹塑性分析选择EL CENTR NS波，其波形图如图2所示。地震加速度按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定的时程分析所用地震加速度时程的最大值在SAP2000中进行地震最大加速度的设置，分析所用地震加速度时程的最大值见表4。根据本工程的抗震基本信息，最大地震加速度值按400cm/s2计算。SAP2000时程分析计算法为非线性直接积分法[9]。

3 内置钢支撑组合剪力墙高层建筑罕遇地震弹塑性分析结果

经SAP2000对普通剪力墙和内置钢支撑组合剪力墙整体模型的非线性时程分析，本节主要对剪力墙结构的层间位移，底层部分剪力墙的受力状态以及塑性铰发展情况做对比分析。

3.1 普通剪力墙与内置钢支撑组合剪力墙整体模型层间位移对比

通过在SAP2000中定义广义位移可以直接提取结构的层间位移位移分析得出内置钢支撑组合剪力墙的存在有效地降低了剪力底部加强部位的层间位移，但X方向5至10层的层间位移依旧比较大。Y方向结构底部加强部位层间位移较大，但内置钢支撑组合剪力墙结构的位移明显小于普通剪力墙结构，相比普通剪力墙结构X方向降低了9.5%，Y方向降低了24.4%。这表明内置钢支撑组合剪力墙显著提高了底部加强部位的抗侧刚度，对减轻地震作用下结构的反应效果较好。

3.2 普通剪力墙与内置钢支撑组合剪力墙整体模型底部墙体受力分析

根据EL CONTR NS波最大加速度对应时刻提取底层剪力墙X方向和Y方向的应力进行分析得出内置钢支撑组合剪力墙结构由于具有较大的刚度，在地震作用时所分担的剪力也较大。因此组合剪力墙的应力明显大于普通剪力墙。剪力墙的应力对比也说明内置钢支撑组合剪力墙的使用改变了整体结构的受力分配，结合前面对位移的对比分析，可以看出具有更高刚度的内置钢支撑组合剪力墙在地震作用下分担了更多的作用力，较高的刚度和承载力有效地降低了結构底部的层间位移。这对整体结构受力是有利的。

3.3 普通剪力墙与内置钢支撑组合剪力墙整体模型塑性铰发展情况分析

通过非线性时程分提取在地震加速度最大时刻剪力墙结构中塑性铰的发展状况，分析内置钢支撑组合剪力墙对梁受力的影响。塑性铰主要出现在结构底部1至6层，且塑性铰的发展处于第一阶段即立即使用阶段。这表明结构底部1至6层虽然进入塑性阶段但其塑性程度还没有威胁到结构的安全。普通剪力墙与内置钢支撑组合剪力墙塑性铰出现的层数并无差别。

为了进一步了解组合剪力墙对梁塑性发展产生的影响，单独取出结构底层分析从塑性铰的发展情况可以看出，在X向地震作用下，普通剪力墙结构部分梁端出现塑性铰，但与内置钢支撑组合剪力墙结构相比，其塑性铰数量较多，除了结构中部出现塑性铰，靠近结构外围的梁上也出现了塑性铰，而组合剪力墙结构由于外围布置有内置钢支撑组合剪力墙，其外围并没有出现塑性铰，这表明内置钢支撑组合剪力墙的存在提高了结构的刚度，减小了结构的层间位移。在Y向地震作用下，由于该结构Y方向刚度较小，两种结构在该方向的地震作用下，出现的塑性铰明显多于X方向，但相比普通剪力墙结构，组合剪力墙结构中塑性铰较少，这一现象表明，内置钢支撑组合剪力墙提高了Y方向的刚度，较少的塑性铰同样位于布置有内置钢支撑组合剪力墙的结构外围。

4 小结

本文基于SAP2000对普通剪力墙结构与内置钢支撑组合剪力墙结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，通过对两种结构的层间位移，层间剪力，底层部分剪力墙的受力状态以及塑性铰发展情况做对比分析。我们可以得出内置钢支撑的存在显著提高了底部加强部位的抗侧刚度，有效降低加强层的层间位移。同时内置钢支撑组合剪力墙的使用改变了整体结构的受力分配，分担了混凝土墙体的受力，有效地分担了梁的受力，增加了结构的整体刚度和承载力，减少了结构在罕遇地震下底部加强部位受到的损伤，改善了结构的抗震性能。

参考文献：

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[10]基于有限元软件的内置钢支撑组合剪力墙性能分析及整体结构分析方法研究[D].昆明理工大学硕士论文，2015.