跃层剪力墙结构的抗震性能分析

兰旭博

Seismic Performance Analysis of Spring Layer Shear Wall Structure

LAN Xu-bo

摘要：我国《高层建筑混凝土结构技术规程》设计规范规定，对于能够采取相应措施保证平面内整体刚性的建筑结构，可以采用刚性楼板假定计算结构的内力和位移，且计算精度能满足设计要求。但躍层结构中，由于其楼面缺乏整体性，使结构受力更复杂。本文根据跃层中开洞层楼板的特点，定义不同的结构模型，通过有限元计算不同的模型，对比分析各模型在地震下的响应，以保证结构设计时的合理性。结果表明，奇数层楼板开洞面积较大，在地震作用下下，按弹性楼板假定与按刚性楼板假定对结构的整体性能指标产生了一定的影响。

Abstract： Relevant design codes in China stipulate that the rigid floor assumption can be used to calculate the internal force and displacement of the structure， and the calculation accuracy can meet the design requirements. However， because of the lack of integrity of the floor， the stress of the structure is more complex. In this paper， different structural models are defined according to the characteristics of floor slabs with openings in jump storeys. Different models are calculated by finite element method， and the responses of each model under earthquake are compared and analyzed to ensure the rationality of structural design. The results show that the opening area of odd floor is large. Under earthquake action， the assumption of elastic floor and rigid floor has certain influence on the overall performance index of the structure.

关键词：隔层开洞;弹性楼板假定;抗震性能

Key words： barrier opening;elastic floor assumption;seismic performance

中图分类号：TU352.11                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）32-0160-03

0  引言

随着建筑学的进步和人们的需求以及社会各方面的原因，越来越多的建筑规范中要求不具体的不规则高层建筑应运而生，所以建筑结构的设计理论知识也应不断探索，赵西安是较早研究楼板在高层结构中的作用以及影响的专家之一，其后越来越多的研究学者开始研究平面不规则结构。建筑结构形式的不规则主要包括平面不规则以及竖向不规则。本论文主要研究跃层中奇数层平面不规则的方面。主要的研究内容如下：

①根据奇数层楼板的特点，定义不同的结构模型，用PKPM-SATWE分别计算不同的模型，对比分析各模型在地震下的响应，以保证结构设计时的合理性。

②找出应力复杂的奇数板楼层，分析楼板的受力情况和不同的楼板假定下对其受力的影响。

③用MIDAS Building对不同模型进行静力弹塑性分析，研究各模型在罕遇地震下的差异及安全性，以此指导跃层结构设计中，模型的选取和结构设计的优化。

1  工程概况

1.1 工程简介

本文研究的钢筋混凝土剪力墙结构为南京市的板桥镇商业住宅楼，如图1。地上27层，一层为商业，二到二十七层为商业住宅。建筑总高度76.9m，标准层层高2.9m。本文只研究地上部分，只建立地上27层模型。工程概况如下结构安全等级二级;工程设计使用年限50年;7度抗震设防烈度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，II类建筑场地，建筑场地的设计特征周期0.35s;剪力墙抗震等级：二级，一层到三层为底部加强层。建筑抗震设防类别：标准设防类，简称丙类。混凝土结构构件的裂缝控制等级：三级。

1.2 结构模型

由于结构中间设有抗震缝并且工程两边结构相似，所以取右边结构为研究对象。奇数标准层建筑平面图如图 2所示。

1.3 模型设计过程

模型A，模型B，模型C的初步设计中相同的设计参数：混凝土容重26kN/m2;墙元细分最大控制长度为1m;弹性板细分最大控制长度1m;采用模拟施工加载3的恒活荷载计算信息;风荷载作用结构的阻尼比5%考虑了顺风向风振影响;结构重要性系数为1级。

三种模型不同的假设：

模型A在SATWE分析阶段奇数层楼板选择了平面内刚性的刚性板。

模型B在SATWE分析阶段奇数层楼板选择了平面内真实的弹性膜。

模型C在结构建模阶段奇数层无楼板。

主要结构材料见表1。

2  STAWE有限元计算分析

2.1 周期计算结果

①由表2可知模型A与模型B周期相差很小，可见跃层结构中，同一剪力墙结构模型，开大洞楼层在刚性楼板假定与弹性楼板假定下对结构周期的影响有限。

②由模型A与模型B知，在弹性楼板假定下的周期都要稍微大于刚性楼板假定下的周期。

③由模型C与模型A或者B对比下可以知道，如果不考虑开大洞的奇数层楼板，结构周期会增大，并且不容忽略，因此在结构设计中不能忽略存在奇数层开大洞的楼板。

2.2 层间位移角分析

由表3可知三种模型的最大层间位移角均能满足规范的1/1000。模型A的最大层间位移角出现在16层，最大层间位移角是1/1384。模型B的最大层间位移角出现在15层，最大层间位移较是1/1375，而模型C的最大层间位移角出现在14和15层定义的广义层中，最大层间位移较是1/1161。

刚性楼板假定下的模型A每一层的最大层间位移角都要略小于弹性楼板假定下的模型B的最大层间位移角，可见在抗震下弹性阶段计算时，跃层结构中不宜按全刚性楼板对结构建模。但是由模型C得到，不考虑奇数层的楼板时，结构的在地震下的刚性减小很明显，较模型A与模型C计算结果差距较大，跃层剪力墙结构设计中宜避免此设计模型。

3  各层楼板的详细分析及加强措施

地震中樓板在将水平作用给传递竖向构件及协调其变形中起着重要的作用，所以对楼板的详细分析很有必要。

在中震作用下，结构在X向地震下最大层间位移角发生在11层，最大数值为0.00083。结构在Y向地震下最大层间位移角发生在15层，最大数值为0.00094。因此本文选取第11层研究X向中震作用下的响应。选取第15层研究Y向中震作用下的响应。

地震通过计算得出中震作用下奇数层楼板面的拉压应力，裂缝宽度和挠度。结果表明，刚性楼板假定下的第15层楼板（14F）在X向地震工况下楼板应力最大达到了2.9MPa，大概有2%的部分达到了混凝土拉应力1.57MPa的设计值。弹性楼板假定下的这一层最大楼板应力达到了2.3MPa，大概有1%的部分达到了混凝土拉应力1.57MPa的设计值。楼板在中震下混凝土开裂，应该在局部加大楼板厚度而且适当提高配筋率。

各模型在Y向地震工况下的应力分布显示出一致性。刚性楼板假定下的第15层（14F）的在Y向地震工况下楼板应力最大达到了2.3MPa，弹性楼板假定下的这一层楼板应力也最大达到了2.3MPa，大概有0.5%的部分达到了混凝土拉应力1.57MPa的设计值。

4  静力弹塑性分析

为了对结构在大震下的抗震性能进行评价，本工程采取Midas building软件进行大震作用下的弹塑性动力时程分析。

由静力弹塑性分析结果看出，结构在大震作用下，小部分墙铰发生屈服，但是可以满足大震不倒的抗震目标。而且在弹性楼板假设下塑性铰面积大于刚性假设下。所以考虑到安全性，工程设计中对于跃层结构，工程师要考虑开洞楼层的变形并对结构进行弹塑性分析，找到屈服点进行针对性的加固。

参考文献：

[1]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]赵西安.考虑楼板变形计算高层建筑结构[J].土木工程学报，1983，16（4）：23-28.

[3]高彬森，李满，王颖.轴压比对装配式双面叠合双肢剪力墙抗震性能的影响研究[J].价值工程，2018，37（36）：138-139.

作者简介：兰旭博（1993-），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为结构设计。