罕遇地震作用下高层剪力墙结构静力弹塑性分析

金 松 梅

(延边职业技术学院,吉林 延边 133000)

1 研究背景

就目前来看大城市聚集着更多的人口，越来越多的年轻人选择到大城市进行打拼，所以造就了大城市的人口密集、土地稀缺这一现状。在大城市中发展高层以及超高层结构已然成为了现实问题。国外已经对高层建筑结构有一定的研究，其研究成果对我国高层建筑结构的发展有一定的借鉴意义。我国是人口大国，高层建筑可以成为解决人均土地较少问题的方法之一，更能成为城市进入现代化的一个标志。大力发展高层建筑具有许多现实意义，例如提高土地利用率、节约社会资源、提升城市形象等。

2 研究意义

在地震频发的地区，为对建筑结构进行分析，可以通过假设，对其进行线性分析。在多遇地震下现在已经有很成熟的分析软件和计算办法，可以将高层建筑结构的受力状态精确的模拟出来。但是对于罕遇地震，随着地震强度和时间的增加，在高层建筑结构的构件薄弱区域会发生屈服的情况、构件自由度也会减少[1-4]，最终会导致整个高层建筑结构体系失去稳定性，从而使建筑物发生倒塌。所以对处于罕遇地震作用下的高层结构进行静力弹塑性分析是非常有必要的。

3 工程概况

本文选择的建筑为唐山市某一高档住宅，建筑高度为95.58 m的34层高层建筑，结构的抗震烈度为8度，抗震等级为一级。该高层建筑安全等级二级，场地类型为Ⅲ类，所处地区为抗震不利地区。该房屋结构采用剪力墙体系，横向剪力墙采用小墙肢，结构平面布置图如图1所示。在结构中剪力墙混凝土标号的选用如下：1层～7层为C45,8层～12层为C40,13层～20层为C35,21层～34层为C30；梁板均为C30。剪力墙主筋选用HRB400，箍筋选用HRB335。

4 罕遇地震计算结果分析

4.1 剪力系数

从地震反应谱曲线中可以得到，结构周期(Ts)的增大会使地震影响系数急速降低。当Ts≥3.5 s时，可能会使地震加速度的实际值大于地震加速度的设计值，对于结构来说会使其遭受到更大的损坏。此高层建筑结构的最大周期为1.859 s，由表1得知剪力系数应大于3.2%。

表1 结构楼层的最小地震剪力系数取值表

4.2 重力二阶效应

在高层建筑中在风荷载和地震作用下会产生水平位移，一般情况下重力二阶效应包括两个方面：一是重力P-Δ效应，结构在承受风荷载和地震作用下，由于自身重量对构件的内部会产生内力，这种力对水平位移影响比较大，使整个结构的内部失去稳定性。二是由于构件自身的材料、挠度等会产生P-δ效应[5]即附加重力效应。但第二种影响比较小，所以可以忽略不计。对高层建筑中剪力墙结构的稳定性要求是要符合：

其中，EJd为结构一个主轴方向的弹性等效侧向刚度；H为房屋高度；Gi为第i层重力荷载设计值。

经计算得出X向刚重比为5.17，Y向刚重比为5.59。计算结果符合《高层建筑混凝土结构技术规程》中对于结构稳定性的要求，因此不需要考虑重力二阶效应。

4.3 顶点位移及层间位移角

应用Midas/Gen(建筑结构有限元分析和设计)计算软件对该结构进行Push-over分析，由图2知在该地震作用下，X方向产生的最大位移为56.9 mm，而Y向产生的最大位移为71.7 mm。

为了调整好层间位移角的大小，可以严格控制各类受力构件出现裂缝的宽度。当层间位移角过大时可以增大构件的横截面面积，提高钢筋混凝土的强度与刚度[6]。该结构在此地震作用下Y向最大层间位移角为1/1 056，X向最大层间位移角为1/1 293。该指标与《高层建筑混凝土结构技术规程》中对于层间位移角小于1/1 000的要求相吻合，故该结构层间位移角满足规范要求。

4.4 剪力墙稳定性验算

由《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定的计算公式。

其中，q为作用于墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值；Ec为混凝土的弹性模量；t为剪力墙截面厚度；l0为剪力墙墙肢的计算长度，由下式确定：l0=βh,β为墙肢长度计算系数，对于单片独立墙肢取1.0，h为墙肢所在结构楼层的高度。

计算得出剪力墙稳定性。拿出该高层建筑结构中最易失稳单元进行计算连梁墙肢为300 mm，层高为2.9 m经计算得出q为10.8 kN大于设计值，故该结构剪力墙稳定性符合规定。

5 分析结论

1)经过建模，对该高层在罕遇地震下进行了弹塑性分析计算，并将计算结果与《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定条文进行对比，该高层建筑结构层间位移角、稳定性等性能表现相对合理，满足大震不倒的抗震指标。2)结合高层建筑结构中剪重比、刚度比、顶点位移、重力二阶效应及剪力墙稳定性验算能够找到结构设计中的不合理之处，可以提前进行优化处理。3)Push-over分析方法是将地震的动力效应近似等效替换为静态荷载，此方法只能分析出结构在静态荷载作用下的受力性能，而无法直观反映出结构在地震作用下具体的结构表现，并且由于地震的瞬时变化会造成结构的刚度退化、内力重分布等非线性动力反应，因此对一些重要建筑，应采用弹塑性动力时程分析来验算结构地震反应。