某电梯试验塔结构刚度突变对策研究

陈春晖，徐其功，魏还俊，郑昊

（广东省建科建筑设计院有限公司，广州 510010）

1 引言

高层建筑中，由于连梁两端墙肢的相对变形会引起连梁两端的竖向位移差，导致在连梁内产生很大的内力。在设计时应采取降低连梁内力的各种措施，例如，增大剪力墙的洞口宽度，在连梁中部设水平缝[1]，设置斜向交叉暗撑配筋连梁[2]、型钢-混凝土混合连梁[3]，在计算内力和位移时，对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁进行调整等，使连梁的设计符合要求。

高烈度设防地区的框架-剪力墙或剪力墙结构连梁和有截面收进的核心筒结构中连接内外筒的剪力墙连梁刚度相对墙体较小，协调刚度很大的墙肢变形承受的剪力特别大，往往通过以上所列方法还是解决不了连梁剪力超限的问题。

本文基于某电梯试验塔项目对结构刚度突变进行研究，创新发明了一种新型的叠合钢板耗能连梁，并对其进行模拟计算分析。

2 工程概况

该电梯试验塔位于广东省中山市，地下3 层，地上33 层，楼层层高不同，其中，最大层高为9 m，建筑总高度为256.2 m。该建筑的主要功能为电梯功能（如高速运行、急刹、双箱等）测试。建筑物在132 m 以下为混凝土双筒形式，132 m 以上仅保留了内筒。下部平面尺寸为30 m×26.2 m，上部平面尺寸为22.6 m×19.6 m，最大高宽比达到9.4。

本工程结合建筑平面布置的特点，采用钢筋混凝土筒体结构体系。为确保该工程的抗震性能，采取了如下措施：根据建筑平面布局和立面收进的特点，本工程沿建筑四周布置成内外2 道钢筋混凝土剪力墙的筒体结构，从而保证了本工程大高宽比的刚度要求，并且钢筋混凝土筒体作为主要抗侧力结构，承担全部的地震作用和风荷载。结构示意图如图1 所示。

图1 结构示意图

3 结构刚度突变对策研究

经计算，该电梯试验塔在标高92.00～123.00 m 处（即结构截面收进部位），连接内、外筒之间的2 段剪力墙在地震及风荷载作用下分担的剪力的比值有突变，相比其他层增大很多。经分析，可能是由于结构平面的缩进致使内、外筒的变形协调要靠此连接内、外筒之间的2 段剪力墙平衡，以及结构平面的缩进使水平力也需靠此连接内、外筒之间的2 段剪力墙平衡。

为协调内、外筒的变形，减少外伸剪力墙的剪力，将内筒与外伸剪力墙之间开洞处理，设置混凝土连梁，连梁尺寸为450 mm×600 mm。

计算结果显示，连梁承受了较大的剪力，剪压比严重超限。

由于连梁两端墙肢不均匀的相应变形会引起连梁两端的竖向位移差，这将在连梁内产生很大的应力。要减小连梁刚度、降低连梁内力，可以增大剪力墙的洞口宽度，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，或者在连梁中部设水平缝等。本项目外伸剪力墙只有6 m，增大洞口宽度不合理；计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，也还是不能满足要求。

如果把连梁离散为片状，可以减少连梁抗弯刚度，且不降低连梁的水平力传递能力，因此，连梁具有良好的变形能力，可使其在承受较大地震剪力时，发挥较好的延性耗能能力。再进一步改进，将此连梁改为多层钢片，承载力高，变形能力好，刚度也大大降低了。按照这个思路，将连梁设置为6 块0.8 m×0.45 m×0.04 m 的Q235B 钢板，间距0.2 m，并由变形较好的橡胶填充，最上面钢板的顶面与剪力墙顶面齐平，分别与2 片剪力墙预埋的型钢固定相连接，与左前方剪力墙平行布置并与右后方剪力墙垂直，如图2 所示。

图2 叠合钢板连梁设置大样

4 叠合钢板耗能连梁分析

4.1 叠合钢板耗能连梁的耗能能力模拟计算

建立2 种结构模型，对叠合钢板耗能连梁的耗能能力进行模拟计算。结构模型一剪力墙直接相连，结构模型二如图2设置叠合钢板耗能连梁。

该耗能连梁由6 块0.8 m×0.45 m×0.04 m 的Q235B 钢板组成，钢板间距0.2 m，最上面钢板的顶面与剪力墙顶面齐平，两端与剪力墙较好固结，与左前方剪力墙平行布置并与右后方剪力墙垂直。

为量化该0.8 m×0.45 m×0.04 m Q235 钢板的耗能能力，采用通用有限元软件Abaqus 对其进行低周反复加载模拟，加载制度参考美国ATC-24（1992）[4]建议，采用位移控制方式加载，见表1。

表1 加载制度

模型中钢板材料选用Q235B，本构关系选用随动双线性强化模型，强化段刚度取为弹性段的3%。得出构件的力-位移滞回曲线如图3 所示。

图3 钢板滞回曲线

由图3 可知，Abaqus 模拟得到的滞回曲线形状饱满，据此，认为该钢板耗能能力良好。

4.2 采用该叠合钢板耗能连梁前后结构典型构件的受力情况对比

对2 个模型进行计算，相连剪力墙采用叠合钢板连梁前后内力比较：在X 方向和Y 方向地震力以及风荷载作用下，剪力墙的弯矩和剪力都有明显的下降。

4.3 叠合钢板连梁在地震作用下的内力分析

叠合钢板连梁在多遇地震作用下的内力分析：在X 方向和Y 方向地震力的作用下，钢板连梁大部分处于弹性状态，变形不大。

叠合钢板连梁在罕遇地震作用下的内力分析：在X 方向和Y 方向地震力的作用下，钢板连梁大部分处于屈服状态，变形较大，但并未破坏。

用PKPM 软件对设置了叠合钢板的试验塔进行多遇地震下的反应谱分析，并与Midas/building 软件分析结果比较，整体结构基本满足规范及规程的要求，能达到多遇地震下的抗震设防目标。

大震下，采用Midas/building 软件进行结构的动力弹塑性时程分析，整体结构以弯曲变形为主，除了部分连梁进入塑性状态，剪力墙基本处于弹性状态，满足大震下的抗震性能水准要求。

综上所述，本工程采用叠合钢板连梁，能显著减小相连剪力墙的剪力、弯矩；而连梁本身在多遇地震下大部分处于弹性状态，罕遇地震下大部分屈服但未破坏。结构整体计算能满足多遇地震下的设防目标和大震下的抗震性能水准要求。

5 结语

本文基于实际项目，对高层建筑结构刚度突变进行研究，采用了一种新型的叠合钢板耗能连梁，并对其进行模拟计算分析，得出以下结论：

1）Abaqus 模拟得到的滞回曲线形状饱满，据此，认为该钢板耗能能力良好；

2）叠合钢板耗能连梁在多遇地震和罕遇地震下有效地减小了剪力墙所受到的剪力和弯矩，有效地解决了该超限结构缩进处剪力墙剪力超限的难题；

3）叠合钢板在罕遇地震下大部分进入了塑性阶段，作为结构的第一道抗震防线，耗散地震能量，很好地保护了主体结构，且避免了混凝土连梁大面积超筋的情况。