某工程超高剪力墙结构性能化设计及损伤分析

2022-10-28杨城，曹历，夏璐

山西建筑 2022年21期

杨城，曹历，夏璐

(四川国恒建筑设计有限公司，四川成都 610000)

1 工程概况

本工程位于四川省，房屋高度147.950 m，采用剪力墙结构。本工程设计使用年限50 a，抗震设防烈度为7(0.1g)度，设计地震分组第三组，抗震设防类别为标准设防类，安全等级三级，场地土类别为二类，采用筏板基础。基础持力层选定为中风化泥岩层，基础埋深为11.050 m，高宽比4.8，长宽比1.1，平面凹凸比0.33。基本风压为0.3 kN/m2，并考虑基本风压1.1倍的放大系数。

本工程采用YJK进行小震反应谱分析、小震弹性时程分析及中震、大震等效弹性分析；采用Midas进行小震反应谱分析，复核YJK软件的计算结果，进行大震动力弹塑性时程分析，软件模型如图1所示。

其中YJK墙元计算采用由多个三节点壳和四节点壳单元组成的超单元，Midas Building中的墙单元与楼板中使用的板单元基于厚板理论，并通过对剪切应变的适当假定，使其也能适用薄板的分析中，面外刚度用DKMQ和DKMT计算。YJK墙单元面内刚度使用平面应力单元的计算方法，而Midas Building使用了假设应力杂交法计算三角形和四边形单元的面内刚度。

2 结构布置

本楼栋为十字型平面结构，长宽比、高宽比适中。主体有核心筒剪力墙和周围6个角落剪力墙群围成的筒体组成,提高墙肢利用率和整体稳定性。标准层平面图如图2所示，避难层存在局部穿层剪力墙和楼板开洞等不利情况。

墙肢采用底层300 mm墙厚变化到高区的200 mm，混凝土等级底层最高为C60，重点加强避难层穿层墙的墙厚。考虑到X向墙肢短墙肢较多，在结构底部对X向短墙肢增加厚度，提高墙体围合能力。考虑左右户型中客厅位置存在Y向无拉结的墙体，增设暗梁提高Y向抗侧力能力。并对十字型中间核心筒区域的楼板进行厚度和配筋方面的加强。

3 结构抗震性能目标

结构抗震性能目标是针对某一级地震设防水准而期望建筑物能够达到的性能水准或等级，是抗震设防水准与结构性能水准的综合反映[1]。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，本工程超限高层定为D级(性能水准选择为：多遇地震性能水准1，设防地震性能水准4，罕遇地震性能水准5)。关键构件的抗剪承载力高于D级的性能目标(见表1)。

表1 构件抗震性能目标

4 结构弹性分析

4.1 小震分析结果

小震弹性分析采用YJK与Midas对比分析，主要计算结果见表2，两款软件所计算的结果和结构指标相近。周期比均小于0.85，满足规范要求，结构抗扭刚度较好，位移角大于1/1 000，满足规范要求，且有一定富余，位移比满足规范不应超过1.4的要求。

表2 小震主要计算结果

4.2 X向短墙肢的框剪结构复核

由于本工程X向墙肢相比Y向墙肢偏少，因此X向上部呈现出弯剪特性的位移曲线(见图3)[2]，为了全面分析X向竖向构件的受力特点，避免Y向剪力墙承担大部分水平力，将X向翼墙按照框剪结构进行模拟复核，模拟的方案如下：将X向的短墙肢、端柱改建成框架柱，同时YJK参数填写考虑0.2V0和1.5Vf,max的较小值调整。

由计算结果可以看出：结构的周期与原结构接近(见表3)，X向框架柱在底部所占X方向倾覆力矩百分比为7.6(见表4)，小于总倾覆力矩的10%，不属于框剪结构，但是考虑到结构上部的变形接近于框架剪力墙结构，为了保证上部结构柱子的安全，端柱配筋按照X方向框架结构与正常模型包络配筋。

表3 按框剪结构复核的周期比较

表4 按框剪结构复核的X向墙肢倾覆弯矩百分比

5 弹性时程分析结果

本工程真实地震记录从美国加州大学伯克利校区的太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center,PEER)的强震数据库“http://ngawest2.berkeley.edu/”中选择,此数据库提供搜索软件，可根据用户对场地土特性，目标反应谱曲线等项的要求找出最合适的真实地震记录。

选取地震记录的条件如下：

1)选用的地震波的特征与设计反应谱在统计意义上一致,地震时程曲线通过傅立叶变换后与规范反应谱进行比较，其地震影响系数平均值与振型反应谱法采用的地震影响系数相比，在结构主要周期点上相差不大于20%。

2)以弹性时程分析所得的结构主方向基底剪力与同方向振型分解反应谱法的计算结果进行比较，用一组地震波输入进行时程分析，满足结构主方向基底总剪力为同方向反应谱计算结果的65%～135%，多组地震波输入的结果平均值为反应谱计算结果的80%～120%，但不要求结构主、次两个方向的基底剪力同时满足这一要求。

3)满足有效持时:要求输入的地震波有效时间不小于结构基本周期的5倍和15 s。从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起到最后一点达到最大峰值的10%为止。

4)进行动力时程分析时，用每组双向地震记录做两个时程分析。使用真实地震记录作为输入时，两个分量的作用方向交换一次，各做一次分析。选取加速度峰值较大者为主方向，经过缩放调整后，主方向加速度有效峰值为35gal，次方向有效峰值为30gal(0.85倍主方向)。

使用人工地震记录时，按X∶Y=1.0∶0.85和X∶Y=0.85∶1.0 的比例各做一次分析,取最不利结果。

本工程选择5组天然波，然后与手动生成的2组人工波组成7组考察波，汇总详见表5，反应谱如图4所示，计算剪力和在主要周期点处(如图5所示)均满足规范选择地震波的要求[3]。

表5 本工程地震记录数据库

采用YJK软件进行弹性时程分析得到的结构底部剪力与振型分解反应谱法(CQC振型组合)底层剪力的对比详见表6。

由表6可见，根据选波原则选取的地震波，单组地震波输入所得的基底剪力峰值均在振型分解反应谱法的65%～135%之间，满足《高规》第4.3.5条要求。位移角计算结果如图6所示。

时程分析的层间位移角图表明，最大层间位移角满足规范限值1/1 000的要求。在高阶振型的影响下，部分楼层结构弹性时程分析所得楼层剪力大于振型分解反应谱法的楼层剪力。因此，构件配筋设计时考虑将这些楼层的小震层剪力作相应放大，确保结构构件的安全。

6 构件性能验算

6.1 竖向构件

为满足构件的中震性能目标，对模型采用不同的荷载分项系数和材料强度进行了中震弹性和中震不屈服分析。为满足大震下性能水准5要求，进行了大震不屈服分析。即具体验算目标为：

中震下底部加强区剪力墙作为关键构件，需满足中震抗弯不屈服、抗剪弹性要求，普通竖向构件，需满足构件不屈服，且均需满足最小抗剪截面要求。大震下，底部加强区及非底部加强区的剪力墙及框架柱抗剪截面应满足《高规》3.11.3-4式的要求。

计算结果表明，极少数构件不满足抗剪承载力要求，经过相应调整(如微调墙肢截面)使其满足要求。

6.2 楼板应力分析

楼板作为传递地震水平力的重要构件，尤其在大开洞的避难层处显得十分重要。采用YJK的楼板分析模块，将楼板设置为弹性板，荷载计算方式为有限元，在中震不屈服下进行计算。图7,图8为避难层处楼板应力分布图，由楼板应力分析可以看出：在地震作用下，避难层及中间楼层除极少数区域的楼板应力集中以外，整体楼板的平均应力较小，均小于楼板混凝土(C30)抗拉强度标准值2.01 N/mm2，可以满足传递水平力的要求。

7 罕遇地震弹塑性分析

7.1 地震波的选择

目前规范中仅给出多遇地震下弹性时程的选波依据，从结构响应的角度保证了弹性时程分析的有效性，当结构进入弹塑性阶段，结构刚度发生较大变化，此时弹塑性时程分析的计算结果与反应谱法的计算结果可能出现较大差异。参考工程界的常用做法，本次选波遵循以下原则：保证在结构主要周期点多波反应谱平均值与大震反应谱相差不超过20%。天然波RSN67(San Fernando)，RSN2683(CHI-CHI Taiwan-03)同弹性设计，地震波10为人工拟合地震波。各波均采用地震峰值加速度最大的方向作为主方向输入，主、次方向地震波有效峰值加速度比为1∶0.85，峰值加速度取220gal(罕遇地震)，Tg取0.5 s。

7.2 整体计算结果对比

为对比大震弹塑性整体结果，用RSN67，RSN2683和人工波10进行了弹性大震时程分析，得到基底剪力汇总如表7所示，从表7数据可以看出大震等效弹性时程分析的剪力均比大震弹塑性结果大1.05倍～1.3倍，弹塑性大震基底剪力与小震时程基底剪力之比在3.7倍～4.9倍之间，反映了在弹塑性分析中结构部件出现了塑性屈服，耗散了地震能量。由表7中可以看出，结构位移角满足规范要求，结构满足性能设计的大震不倒原则。

表7 弹塑性分析结果汇总表

7.3 结构塑性损伤分析

本工程采用MIDAS软件进行大震弹塑性损伤分析，混凝土材料本构关系中以混凝土的实际应变与混凝土峰值压应变的比值来定义混凝土的“应变等级”，钢筋材料本构关系中以钢筋实际应变与钢筋的屈服应变的比值来定义钢筋的“应变等级”，墙单元剪切本构关系中以单元的实际剪切应变与屈服剪应变的比值来定义墙单元的剪切“应变等级”。

本工程存在截面突变墙肢，通过对损伤的分析，可以发现，在连梁和截面突变区域存在损伤发育较深的情况。存在以下两类墙肢共6处墙肢(如图9所示)，在截面突变处损伤发育较深(详见图10，图11)。