框支剪力墙结构抗震性能评估

2023-11-16赵亚军荣浩霖郑裕金刘宇翔徐敏

安徽建筑 2023年11期

赵亚军，荣浩霖，郑裕金，刘宇翔，徐敏

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

随着经济的发展和科学技术的进步，对现代建筑的要求也越来越高，随着高层建筑的问世，随之而来的是新的安全问题，其中建筑物的抗震问题一直以来都是关注的焦点之一。

伴随着资源的集中和土地利用率的提高，商业中心的高层建筑鳞次栉比，但其功能和安全性仍然值得谨慎对待。办公楼多是钢筋混凝土的框架式建筑，但结构不连续，底部商业区高度较小，侧向刚性的支撑层容易出现受力薄弱现象[1-2]。大量学者研究表明[3-5]，结构物的集中变形容易发生在竖向结构不规则的楼层，在受到外力作用时，容易发生楼层侧移的现象，甚至出现结构破坏，导致楼栋倒塌[6-7]。

本文通过对高140.5m 的钢筋混凝土结构物的支撑剪力墙进行分析，比较普通结构和粘滞阻尼器结构在Chichi波影响下对混凝土框架结构的动力时程以及角位移的变化情况，探究粘滞阻尼器多结构抗震性能的作用效果，来研究结构的抗震特性。

2 工程概况

该工程为高140.5m 的钢筋混凝土结构物，共38 层。文中主要对建筑物的支撑剪力墙进行分析。该建筑长47.4m，宽17m，设计使用年限为50 年，设置7 度抗震烈度，二类别场地类型。建筑场地的周期性特征0.3s，设丙类抗震，二级结构安全。建筑物的转换层在第4 层，避难层为第16 层，第4 层和第16 层采用实心钢管混凝土为主要支撑结构，混凝土强度为C60，钢管采用Q345钢。

根据甲方的要求，在中级地震的情况下避难层和转换层的承重构件和转换构件要处于弹性状态，且弹性变形处于设计范围内。在不影响建筑物使用空间的条件下，避难层和转换层结构竖直方向的刚度会发生突变，在这两层建筑中布置44 个粘滞阻尼器。阻尼器的连接通过两端的球铰与主体结构采用刚性固接，具体在结构的外部立面采用人字支撑体系，在结构的内部立面采用门架支撑体系。经过调试和计算阻尼指数后，设计阻尼器的阻尼指数为0.2，系数为300kN·s/mm2。每层布置22 个测试点位，每个点位设置粘滞阻尼器两个。

3 结构动力时程分析

本文对比普通结构和粘滞阻尼器结构对混凝土框架结构的动力时程影响，来探究结构的抗震曲线。文中选取了5种工况作为地震波样本，然后调整每种工况的结构周期性自震特征和场地类型，参考《建筑工程抗震性态设计通则》中最不利于结构物的4 种震动类型，将信息作为边界条件输入到Matlab 中进行拟合，根据结构震级分组、自振周期数值、抗震烈度的设计以及震动阻尼比等参数，在Matlab 中拟合一条满足设计要求的人工地震波形，天然的地震波参数如表1所示，每一次地震波维持15s。

表1 天然的地震波参数

3.1 结构位移响应分析

在进行阻尼器布置时，以水平面为基准，定义结构的平面图中宽度方向为Y轴，长度方向为X轴。在结构检测中发现Y 轴方向的结构抗震性较差，因此本文主要分析Y 轴方向的结构动力时程曲线。本文对比普通结构和粘滞阻尼器结构在Chichi波影响下对混凝土框架结构动力时程的影响，获得避难层与转换层的动力时程位移曲线，来研究钢混结构在设置粘滞阻尼器后，在不同震级条件下结构位移的变化情况。

普通结构和粘滞阻尼器结构在Chichi 波影响下对混凝土框架结构动力时程的影响曲线如图1所示，图1中展示了避难层和转换层的动力时程位移曲线。由图1 可知，Chichi 波的峰值加速度值35gal时，避难层和转换层的粘滞阻尼器减震效果显著，结构耗能减震效果在30%左右，避难层和转换层之外的楼层，粘滞阻尼器结构耗能减震效果在18%左右。Chichi 波的峰值加速度值220gal时，避难层和转换层的粘滞阻尼器减震效果显著，结构耗能减震效果在10%左右，避难层和转换层之外的楼层，粘滞阻尼器结构耗能减震效果在6%左右。

图1 避难层和转换层的动力时程位移曲线

3.2 结构各层最大层间位移角分析

普通结构和粘滞阻尼器结构在Chichi 波影响下对混凝土框架结构层间角位移的影响曲线如图2所示，图2中展示了混凝土框架结构每层的层间角位移曲线。表2 中列出了第4 层、第16 层、第30层、第37层在不同地震波峰值加速度条件下，普通结构和粘滞阻尼器结构的层间角位移变化值，并计算了采用粘滞阻尼器后的结构减震效果变化百分数。观察图2 可以看出，在地震波峰值加速度不同的条件下，采用粘滞阻尼器的结构层间角位移变化值更小，说明在结构物中设置粘滞阻尼器可以有效提高结构物的抗震能力。同时，观察层间的角位移变化曲线可以看出，层间最大角位移的变化值在转换层和避难层时存在一个突变现象，并且这两层的角位移变化值更小。Chichi 波的峰值加速度值35gal时，各结构层的粘滞阻尼器减震效果显著，结构耗能减震效果在17%～37%之间，Chichi波的峰值加速度值220gal时，避难层和转换层的粘滞阻尼器减震效果显著，结构耗能减震效果在20%左右，避难层和转换层之外的楼层，粘滞阻尼器结构耗能减震效果在13%～16%变化。

图2 Chichi波作用下各层最大层间位移角曲线

表2 不同楼层最大层间位移角及变化幅值

4 钢混框架支撑结构抗震能力需求分析

4.1 静力弹塑性分析模型

在对钢混框架支撑结构进行抗震研究时，首先要进行静力状态的弹性和塑性分析，考虑结构在受力状态的最不利条件侧向受力，并确定荷载的分布情况。还需要考虑P-Δ 效应对结构稳定性的影响。在进行荷载分配时，要求根据各个构件的实际配筋情况合理分配，使用XTract分析法对各个截面进行压弯强度计算。将构件的连接两端定义为塑性铰接，并考虑构件在荷载作用下发生非线性变形，图3 中展示了不同的混凝土梁和钢管混凝土的压弯曲线。在进行拟合时本文采用Mander 模型对混凝土构件进行滞回计算，并定义构件发生理想的弹塑性形变。考虑到混凝土本身的材料性质和受力筋的分布情况，在计算时仅考虑构件中钢筋的非线性力学行为。

图3 转换构件截面承载力曲线

4.2 结构地震需求曲线与抗震能力曲线

普通结构和粘滞阻尼器结构在Chichi波影响下，钢管混凝土框架结构的抗震能力需求曲线如图4所示，图4中展示了各结构层在大、中、小三种不同震级条件下的抗震能力需求曲线。由图4 可知，不同的结构层抗震能力需求曲线之间存在交点，这一交点被称为结构性能点，是结构抗震能力与抗震需求的临界点。观察图中数据可以看出，普通结构在震级由大到小，结构的顶点最大位移值分别为405mm、193mm、82mm。粘滞阻尼器结构在震级由大到小，结构的顶点最大位移值分别为345mm、133mm、31mm。根据图4 中的数据获得的各能级震级条件下，普通结构和粘滞阻尼器结构的结构性能点最大角位移数据如表3所示。

图4 钢混框架支撑结构抗震能力曲线与需求曲线

表3 结构性能点最大角位移

由表3 中数据可知，普通结构的抗震变形能力符合规范设计的最大角位移＜0.0001 的要求，并且符合大震条件下抗倒塌的最大角位移＜0.0083 的要求。带粘滞阻尼器结构在不同的震级条件下显著减小了结构层的最大角位移值，从而增强了结构的抗震能力，使结构在更大震级作用下抵抗变形的能力得到提高，在小震作用下最大层间角位移减小了54%，在中震作用下最大层间角位移减小了27%，在大震作用下最大层间角位移减小了13%。

4.3 各个性能点下各楼层层间位移

不同震级结构性能点的角位移曲线如图5 所示。由图5 可知，粘滞阻尼器，在小震作用下将转化层的地震需求减小了84%，在中震作用下将转化层的地震需求减小了32%，在大震作用下将转化层的地震需求减小了15%。粘滞阻尼器，在小震作用下将避难层的地震需求减小了63%，在中震作用下将避难层的地震需求减小了31%，在大震作用下将避难层的地震需求减小了14%。避难层和转换层之外的楼层，粘滞阻尼器结构地震需求减小幅度在13%～59%变化。

图5 不同震级结构性能点的角位移曲线

5 钢混框支撑剪力墙结构塑性铰

为了更清晰地描述普通钢混框架支撑结构的剪力墙破坏模式，从而探究粘滞阻尼器多结构抗震性能的作用效果，本文选择实际工程中典型的钢混结构作为实例，构件的塑性铰分布情况和发展情况如图6所示。由图6可知，当构件的最大角位移增大到334mm 时，框架结构开始出现塑性铰。随着顶点角位移不断增大到398mm，30 层的塑性铰开始发展。随着顶点角位移不断增大到725mm，避难层以上的楼层塑性铰特征显著，但塑性变形却维持基本不变的状态，避难层以下的楼层塑性铰继续发展。当顶点角位移不断增大到1105mm 时，避难层及以下楼层的两端均出现塑性铰。通过这一现象可以看出，当结构物在外力作用下发生的变形较大时，钢混框架结构的剪力墙表现弱非线性状态。