某不规则少墙框架结构中剪力墙抗震性能分析与建议

于 恒 兵

(中煤科工重庆设计研究院(集团)有限公司，重庆 400016)

1 工程概况

本工程位于重庆市云阳县北部新区迎宾大道，建筑效果见图1。项目由2栋22层塔楼、1栋5层裙房、2层地下车库组成，最大建筑高度99 m，总建筑面积约12.2万m2。设计合理使用年限50年，结构安全等级为二级，抗震设防分类标准为丙类。本地区抗震设防烈度为6度(0.05g)，地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s。基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度B类。

2 结构布置

裙房地下2层、地上5层，建筑高度23 m，最大平面尺寸117.7 m×45.4 m，标准柱距8.4 m。塔楼及裙房结构嵌固于地下室顶板，嵌固层以上塔楼与裙房间设150 mm抗震缝。裙房拟采用框架结构，经结构试算，裙房结构单元扭转效应明显[1]。拟在结构平面东北、西北角设置厚250 mm、长5.2 m的剪力墙，墙端柱600 mm×600 mm，以增大结构平面抗扭能力，增设剪力墙后结构布置如图2所示，裙房结构三维模型如图3所示。

3 对比分析

采用考虑扭转耦联振动的CQC反应谱法对裙房结构增设剪力墙前后进行对比验算，结果显示，增设剪力墙后解决了第二周期为扭转周期和周期比不满足规范限值的问题，结构扭转效应得到解决，达到了预期效果。设置剪力墙前后结构单元周期对比如表1所示。

4 抗震性能目标

少墙框架是介于框架结构与框架—剪力墙结构之间的一种结构形式，按照多道防线的概念设计要求，剪力墙是第一道防线，在设防地震或罕遇地震下先于框架破坏，由于塑性内力重分布，框架部分按侧向刚度分配的剪力会比多遇地震作用下大。由于少墙框架中剪力墙的布置形式、数量等通常不满足规范对于框架—剪力墙结构的要求，结构整体抗震性能较差，为此，有必要对其在中震、大震作用下的可靠性进行专门的分析和研究。

表1 设置剪力墙前后周期对比

阶段周期周期比设置剪力墙前T1=1.844 4(Y)T2=1.690 8(T)T3=1.539 1(X)0.92设置剪力墙后T1=1.643 8(Y)T2=1.554 4(X)T3=1.313 7(T)0.80

为验算少墙框架中剪力墙在地震作用下的抗震性能以及对整个结构单元的影响，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，设定结构性能目标为D级，具体详见表2。

表2 结构抗震性能目标

5 多遇地震计算分析

采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。时程分析时选取两组天然波(TH119TG045，TH002TG045)和一组人工模拟波(RH1TG045)作为地震波曲线。三组地震波持续时间分别为59.10 s,28.48 s,30 s，持续时间T>15 s和5T1，记录步长0.02 s，峰值加速度多遇地震为18 cm/s2，设防地震为50 cm/s2，罕遇地震为125 cm/s2。规范谱与地震波平均谱计算结果的拟合程度如图4所示，T1，T2，T3周期点上影响曲线相差值分别为3.78%,1.03%,11.52%，计算结果满足《抗规》5.1.2条要求，在统计意义上基本相符。

多组地震力作用下X向、Y向各楼层剪力包络如图5所示，地震作用效应按《抗规》5.1.2条取3组时程计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果相比的较大值进行结构设计，由程序自动按楼层考虑地震力放大系数。

6 设防地震计算分析

按照设定性能目标，对剪力墙进行中震不屈服验算，并采用中震不屈服与小震弹性验算结果进行包络设计，地上1层墙肢及端柱验算结果对比如图6所示。

计算显示，剪力墙中震不屈服验算出现主筋超筋，端柱出现全截面配筋率超限。可知剪力墙小震弹性计算截面、配筋不能满足中震不屈服的验算要求。设计若按小震弹性验算结果为依据进行施工图设计，将造成剪力墙在设防地震作用下的受弯屈服，达不到设定的性能目标。

7 罕遇地震计算分析

采用PUSH进行罕遇地震作用下的静力弹塑性分析，特征周期增加0.05 s，Tg=0.50 s。考虑地下室推覆分析，当X向推覆力达到23 298.5 kN时，约为小震反应谱基底剪力的4.39倍，结构达到推覆性能点，此时最大层间位移角为1/231；当Y向推覆力达到21 519.9 kN时，约为小震反应谱基底剪力的2.44倍，结构达到推覆性能点，此时最大层间位移角为1/208，均能满足框架—剪力墙结构弹塑性层间位移角限值1/100的要求，证明结构能满足“大震不倒”的抗震性能设计目标。采用EPDA进行动力弹塑性补充验算，底部剪力墙在罕遇地震作用下较早出铰，造成时程后期结构扭转效应的明显增加，柱、梁出铰加快，说明少墙框架中关键部位剪力墙的过早屈服对整个结构抗震性能有较大的影响。结合中震、大震验算结果，原结构体系中剪力墙无法实现设定性能目标，需对其布置形式、截面尺寸进行调整，并重新进行验算以达到设定的D级性能目标。

8 结语

少墙框架结构中的剪力墙由于刚度相对较大，在地震作用下会承担较大的地震力，作为二道抗震防线中的第一道防线，一般先于框架柱出现塑性铰破坏，但由于其布置数量较少，通常对整个结构体系的抗震性能影响不大。但因为少墙框架结构抗震性能较差，采用时须谨慎对待，以避免剪力墙受力过大、过早破坏而导致整个结构体系的破坏。当不可避免时，建议从以下几个方面加以认真研究：

1)剪力墙应均匀布置，避免形成过大的刚度集中或刚心偏置，从而导致结构扭转效应。

2)宜采取将剪力墙减薄、开竖缝、开结构洞、配置少量单排钢筋等措施，减小剪力墙的作用。

3)剪力墙布置在结构体单元的关键部位、薄弱部位时，应保证多道防线和必要的安全富裕度，并加强抗震构造，避免剪力墙在地震作用下的过早破坏而影响人员疏散及消防救援，甚至导致整个结构的连续倒塌。

4)框架部分的地震剪力值，宜采用框架结构模型和框架—剪力墙结构模型二者计算结果的较大值[2]，保证二道防线的框架具有一定的抗侧力能力。

5)应根据规定水平力作用下结构底部框架承受的地震倾覆力矩与总地震倾覆力矩的比值，确定相应的设计方法和构造措施。按框架—剪力墙结构确定结构位移控制指标和剪力墙抗震等级。

6)关键部位剪力墙宜按照性能化要求进行设计和必要的补充验算，适当提高剪力墙的抗震性能目标，保证其在地震作用下的延性，通过确保少数关键构件可靠性的途径保证整个结构单元的安全可靠。