波纹钢板剪力墙在高层钢结构建筑中的应用
2021-05-11赵春亮文花平
赵春亮 文花平
1.工程概况
项目位于杭州市滨江区滨盛路与康顺路交叉口处。地块总用地面积10187m2，地上总建筑面积为35648.29m2。1#楼建筑高度78.46m，层数为18 层（4层裙房），2#楼建筑高度73.65m，层数为17 层（3 层裙房），主楼的功能为酒店客房，裙房的功能为酒店配套及商业。两塔楼共用一地下室，嵌固端均设在地下室顶板。
该工程：结构设计安全等级：二级；建筑抗震设防类别：丙类；抗震设防烈度：6 度；基本地震加速度值：0.05g；设计地震分组：第一组；场地类别：Ⅱ类；基本风压：0.45 KN/m2；采用软件：YJK2.0.1、MIDAS Building；钢框架梁抗震等级：四级；剪力墙、框架柱抗震等级：三级；考虑偶然偏心：5%；周期折减系数：0.9；结构的阻尼比：0.035；特征周期：0.45s；地震影响系数最大值：0.04。
本工程采用结构空间有限元分析与设计软件MIDAS Building 和YJK（2.0.1 版）进行了分析计算，并采用YJK 进行了弹性时程分析。整体计算时，嵌固端取在±0.000 计算[1]。
计算简图见图1、图2。
2.主要构件规格及材料强度
波形钢板组合剪力墙，墙厚150mm，C50 混凝土，钢板厚4mm+4mm，Q345B。框架柱：矩形钢管混凝土柱，C50 混凝土，Q345B。钢框梁：焊接H 型钢，Q345B。
图1 标准层平面图
3.结构计算及分析
图2 抗侧力构件布置简图
3.1 计算基本假定
该波形钢板组合剪力墙根据抗弯刚度等效成平钢板组合剪力墙。计算整体性能指标采用刚性楼板，计算内力采用非刚性楼板；墙用壳单元模拟。
3.2 弹性计算分析
本工程波谱与规范谱的频谱特性对比结果见图3。
3.3 弹性分析结果汇总
X 向最大位移比为1.09，Y 向1.18，均小于1.5，满足规范要求。
根据规范JGJ99-2015 第6.1.7 条，框架剪力墙结构的整体稳定性应符合下式：
图3 波谱与规范谱的频谱特性对比
本工程X 向刚重比1.80，Y 向刚重比1.89，满足规范要求。
按GB50011-2010 第5.2.5 条，在6度（0.05g）地震烈度区，对于基本周期小于3.5s 的结构，计算多遇水平地震作用时，结构任一楼层的水平地震作用标准值的剪力系数不应小于0.8%。本结构的X向最小楼层剪力系数为0.787%＜0.80%，程序自动乘以1.015 系数进行调整；Y 向最小楼层剪力系数为0.832%＞0.80%，满足规范要求。
本工程结构底层框架承受的地震倾覆力矩X 向为78.6%，Y 向为61.2%；依据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的8.1.3条及条文说明，20%＜框架承受的地震倾覆力矩＜80%，按框架—剪力墙结构设计。
3.4 动力弹塑性计算分析
采用有限元软件YJK2.0.1 进行弹塑性分析。主要设计参数如下：
罕遇地震地面加速度峰值：125gal；
罕遇地震场地特征周期：Tg=0.50s；
罕遇地震结构阻尼比：0.05；
梁、柱杆件采用纤维梁单元，剪力墙采用壳单元。钢材采用双折线随动强化模型；混凝土为单轴本构模型，可以考虑：混凝土开裂后强度降低，刚度退化，混凝土开裂反向加载至闭合后，重新具备受压能力与刚度。
根据抗震设计规范对于基底剪力以及波谱特性的要求，软件自动选取两条天然波和一条人工波。三条地震波弹塑性时程分析所得基底剪力包络值与小震CQC 反应谱结果的比值X 向，13684.5/2080.18=6.58，Y 向为9943.30/2198.32=4.52，与经验值比较符合。
X 向最大弹塑性层间位移角为1/210（n=9，Tottori_Japan_NO_6276,TG(0.46)波），Y 向最大弹塑性层间位移角为1/262（n=18，ArtWave-RH4TG045,Tg(0.45)波），均小于1/80，满足《钢板剪力墙技术规程》的弹塑性层间位移角限值要求。
剪力墙、框架柱根据《建筑设计抗震规范》基于位移角进行构件损伤评估，基于位移角的损坏等级判别标准如图4。
4.结语
图4 位移损坏等级判别标准
剪力墙及连梁作为第一道抗震防线，框架作为第二道抗震防线，满足抗震二道设防要求。采用YJK 及MIDAS Building 两种软件对结构在多遇地震作用、风荷载作用下分别进行静力分析，上述两个软件同属空间结构计算模型，满足规范对计算软件的要求。从计算结果可见，主要计算控制参数均满足《建筑抗震设计规范》GB50011－5010 和《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ3－2010 的要求。任一层框架剪力按结构底部总剪力的25%与1.8 倍最大框架楼层地震剪力两者的较小值进行调整计算。采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，计算结果取时程法与振型分解反应谱法的较大值。对结构进行大震动力弹塑性分析：部分连梁及框架梁出现塑性铰，竖向构件基本无损伤，满足大震不倒的目标。
