基于MIDAS的某帶端部轉(zhuǎn)換剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

林寶新1,2,陳明1,許加義1

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230022; 2.安徽建筑大學(xué) 建筑設(shè)計研究院，安徽 合肥230022)

摘要:文章以某高層剪力墻結(jié)構(gòu)帶端部轉(zhuǎn)換為例,采用有限元軟件MIDAS/Building進(jìn)行多遇地震下的彈性計算、罕遇地震下的彈塑性分析及樓板應(yīng)力分析,對托墻轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用小震、中震彈性雙控設(shè)計,對結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行評估。計算結(jié)果表明,通過加強(qiáng)措施后,結(jié)構(gòu)布置合理,無明顯剛度薄弱層和過大扭轉(zhuǎn)位移比,結(jié)構(gòu)具有良好的屈服機(jī)制。

關(guān)鍵詞:端部轉(zhuǎn)換;MIDAS軟件;彈塑性分析;抗震性能

收稿日期：2015-01-30；修回日期：2015-03-23

作者簡介：林寶新(1966-),男,安徽和縣人,安徽建筑大學(xué)教授級高工,碩士生導(dǎo)師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2015.06.020

中圖分類號:TU375文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

MIDAS-basedseismicperformanceanalysisofahigh-riseshearwallstructurewithterminaltransformation

LINBao-xin1,2,CHENMing1,XU Jia-yi1

(1.SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China; 2.InstituteofArchitecturalDesignandResearch,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Abstract:Takingahigh-riseshearwallstructurewithterminaltransformationasanexample,theelasticcalculationunderfrequentearthquakeandtheelastic-plasticcalculationunderrareearthquakeandthestressanalysisoftransferstory’sfloorareperformedbyusingthefiniteelementsoftwareMIDAS/Building.Theelasticdouble-controlmethodisusedtodesigntransfermemberunderfrequentandmediumearthquake,andtheseismicperformanceofwholestructureandtransfermemberisalsoevaluated.Theanalysisresultsindicatethatthestructurehasawellyieldmechanismwithoutstiffnessweaklayerandoversizetorsionaldisplacementratiobystrengtheningmeasures.

Keywords:terminaltransformation;MIDASsoftware;elastic-plasticcalculation;seismicperformance

高層建筑帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)往往下部大開間、上部小開間,是一種豎向不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[1],同時如轉(zhuǎn)換構(gòu)件位于建筑單體端部,則結(jié)構(gòu)底部質(zhì)心與剛心差別大,易導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)形成平面不規(guī)則。結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層附近的豎向剛度易突變,轉(zhuǎn)換層會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,一旦傳力途徑缺失會產(chǎn)生連續(xù)倒塌,對抗震設(shè)計十分不利。端部轉(zhuǎn)換造成結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則,在地震作用下易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這就要求設(shè)計中必須采用合理的結(jié)構(gòu)形式,在豎向?qū)崿F(xiàn)樓層上下部分的合理過渡,在平面合理布置剪力墻以減弱扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。文獻(xiàn)[2]第3.6.2條規(guī)定:“不規(guī)則且具有明顯薄弱部位可能導(dǎo)致重大地震破壞的建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)按本規(guī)范有關(guān)規(guī)定進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性變形分析”。

1工程概況與抗震性能目標(biāo)

合肥市某小區(qū)5#樓,地下1層,層高5.6 m;地上31層,結(jié)構(gòu)在商業(yè)3層(即住宅4層)平面端部托墻框支轉(zhuǎn)換,住宅4～31層標(biāo)準(zhǔn)層高2.9 m,建筑高度為89.9 m,平面、剖面如圖1、圖2所示,轉(zhuǎn)換層以下⑥軸附近存在錯層[3]?？蛑е齂ZZ2截面為700mm×1 400mm外,其余截面均為700mm×1 100mm;框支梁截面均為900mm×1 000mm。本工程抗震設(shè)防分類為丙類,設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.10g,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第1組。

圖1　轉(zhuǎn)換層平面布置圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2?、彷S剖面圖

本工程分2階段抗震設(shè)計,在滿足基本設(shè)防目標(biāo)的前提下,結(jié)合抗震性能設(shè)計要求,選用等級為C的性能目標(biāo)[1],具體見表1所列,其中框支柱、梁按 “關(guān)鍵構(gòu)件”設(shè)計[1]。

表1　抗震性能目標(biāo)

2多遇地震下振型分解反應(yīng)譜分析

采用剛性樓板假定,考慮偶然偏心,地震影響系數(shù)最大值取0.08,特征周期0.35s,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05,周期折減系數(shù)為0.9,連梁折減系數(shù)為0.7。計算結(jié)果見表2所列，結(jié)構(gòu)第3自振周期T3為1.625 s。

表2　整體計算主要結(jié)果

計算結(jié)果表明周期比為0.751<0.9,結(jié)構(gòu)前三振型如圖3所示。結(jié)構(gòu)樓層最小剪重比大于1.6%；在考慮偶然偏心和雙向地震作用下,樓層最大層間位移角小于1/1 000,框支柱的最大軸壓比為0.21<0.6；轉(zhuǎn)換層與相鄰上層的側(cè)向剛度比γe1大于0.6,轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比γe2大于0.8,滿足規(guī)范要求；扭轉(zhuǎn)位移比小于1.4,說明結(jié)構(gòu)平面布局合理,未出現(xiàn)過大偏心距。各計算指標(biāo)滿足規(guī)范要求,可保證“小震不壞”的設(shè)防準(zhǔn)則。

圖3　基本振型

3設(shè)防烈度下中震等效彈性分析

根據(jù)性能目標(biāo),關(guān)鍵構(gòu)件框支柱、框支梁采用中震彈性設(shè)計,底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻按抗剪彈性設(shè)計,一般剪力墻按中震不屈服及多遇地震分析結(jié)果的較大值設(shè)計,水平地震影響系數(shù)最大值取0.23,不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù),即強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的調(diào)整系數(shù)均取1.0。

(1) 中震彈性設(shè)計。荷載組合調(diào)整系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)采用與小震相同的數(shù)值,連梁折減系數(shù)取0.6。計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在中震作用下基本處于彈性階段,抗震承載力滿足中震彈性性能目標(biāo)要求。

(2) 中震不屈服設(shè)計。不考慮風(fēng)荷載效應(yīng),荷載分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0,材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值,連梁折減系數(shù)取0.5。

(3) 框支梁柱分別?、彷SKZL1、KZZ1為研究對象,不同地震水準(zhǔn)下構(gòu)件在同一部位、某一工況下荷載效應(yīng)見表3所列,數(shù)據(jù)表明中震不屈服設(shè)計內(nèi)力與小震彈性設(shè)計內(nèi)力相當(dāng),框支梁、柱抗剪承載力均滿足中震性能目標(biāo)要求。

表3　構(gòu)件荷載效應(yīng)

由于整體彎曲在中震情況下可能會在底部墻肢中產(chǎn)生拉應(yīng)力,為防止墻肢產(chǎn)生受拉裂縫從而造成結(jié)構(gòu)整體剛度退化,對中震下底部墻肢進(jìn)行了拉應(yīng)力校核[4]。計算結(jié)果表明:在中震不屈服Y主方向地震力作用下,在底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻最外邊緣部位的極小范圍(小于結(jié)構(gòu)整體的1%)出現(xiàn)拉應(yīng)力,且最大拉應(yīng)力為3.37MPa,小于2ftk=4.78MPa。剪力墻抗剪、抗彎均滿足中震性能目標(biāo)要求。

4罕遇地震下靜力彈塑性分析

該結(jié)構(gòu)通過靜力彈塑性分析驗(yàn)算彈塑性層間位移,評估結(jié)構(gòu)的抗震性能,找出薄弱部位,以采取相應(yīng)措施進(jìn)行加強(qiáng)。推覆計算采用位移增量控制方法,控制點(diǎn)為剪力墻頂點(diǎn),停機(jī)位移取建筑總高1/100,選振型加載模式第1振型作為荷載工況對X、Y方向進(jìn)行推覆分析。采用彈性樓板假定,選用計算配筋,超配系數(shù)為1.15,并考慮梁柱交接剛域[5]。

(1) 材料的本構(gòu)模型?；炷敛捎梦墨I(xiàn)[6]單軸混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,鋼筋采用雙折線模型。

(2) 分析模型。梁、柱采用非線性塑性鉸單元,其中梁采用彎矩-轉(zhuǎn)角鉸,柱采用軸力彎矩耦合鉸;剪力墻采用非線性纖維模型,轉(zhuǎn)換梁作為墻單元輸入。

4.1　結(jié)構(gòu)整體抗震性能

結(jié)構(gòu)沿X、Y向能力譜法分析結(jié)果如圖4所示。彈塑性需求譜與能力譜相交,交點(diǎn)即為罕遇地震下的性能控制點(diǎn)。性能點(diǎn)處X、Y向的層間位移角分別為1/349和1/444,分別出現(xiàn)在推覆的第11加載步和第9加載步,且均小于剪力墻結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移限值1/120,可保證結(jié)構(gòu)整體“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

性能點(diǎn)處X向基底剪力為13 440kN,剪重比為5.41%;Y向基底剪力為14 010kN,剪重比為5.64%。分別為小震彈性基底剪力的3.36倍和3.34倍,結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的能力曲線在經(jīng)過性能點(diǎn)后仍有明顯的上升態(tài)勢,能實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防要求。

圖4　罕見地震下能力譜法分析結(jié)果

4.2　結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁、柱性能評估

塑性鉸本構(gòu)模型如圖5所示,其中B為屈服狀態(tài),IO為直接居住狀態(tài)、輕微損壞,LS為使用安全狀態(tài)、中等破壞,CP為防止倒塌狀態(tài)、嚴(yán)重破壞,C、D為極限狀態(tài),E為坍塌狀態(tài)。塑性鉸塑性變形容許準(zhǔn)則見表4所列。

圖5　 FEMA塑性鉸本構(gòu)模型

控制指標(biāo)轉(zhuǎn)角/rad框梁框柱IO0.0050.003LS0.0100.012CP0.0200.015

2個方向的推覆顯示:樓層中部連梁梁端率先進(jìn)入B屈服,之后向頂部、底部樓層發(fā)展,隨著加載步的增加,轉(zhuǎn)換層連梁普遍出現(xiàn)B屈服,有的達(dá)到CP狀態(tài),部分框架梁(跨高比大于5)端也出現(xiàn)B屈服,且框梁普遍晚于連梁進(jìn)入屈服狀態(tài)。到性能點(diǎn)時,轉(zhuǎn)換層梁、柱出鉸情況如圖6所示,轉(zhuǎn)換層梁端大多進(jìn)入B屈服,少量達(dá)到LS中等破壞狀態(tài),框支柱未出鉸,表明結(jié)構(gòu)具有很好的延性和足夠的安全儲備。

圖6　轉(zhuǎn)換層梁鉸分布圖

4.3　結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪力墻(含轉(zhuǎn)換梁)性能評估

轉(zhuǎn)換梁為墻單元,剪力墻采用混凝土的壓應(yīng)變、鋼筋的拉壓應(yīng)變及混凝土的剪切應(yīng)變來評估剪力墻的破壞程度,各應(yīng)變等級取值見表5所列。其中當(dāng)混凝土的抗壓破壞等級為3級、鋼筋的拉壓破壞等級為2級時定義為屈服狀態(tài),剪切應(yīng)變的第1等級和第2等級認(rèn)為是彈性狀態(tài),第3等級可認(rèn)為是屈服狀態(tài),第4等級可定義為屈服后狀態(tài),第5等級可認(rèn)為是極限狀態(tài)[7]。

表5　剪力墻各應(yīng)變等級取值

轉(zhuǎn)換層在性能點(diǎn)時剪力墻X、Y向各應(yīng)變等級分布如圖7、圖8所示。

從結(jié)構(gòu)整體看,在罕遇地震下剪力墻混凝土的受壓均為彈性狀態(tài);99.8%的鋼筋拉壓應(yīng)變處于彈性狀態(tài)(小于等級2);99.7%的混凝土剪切應(yīng)變處于彈性狀態(tài)(小于等級3),但轉(zhuǎn)換層處98.6%處于彈性狀態(tài)。

由圖8c可以看出,與上托剪力墻相連處轉(zhuǎn)換梁出現(xiàn)局部剪切破壞。轉(zhuǎn)換梁及上部剪力墻Y向剪切破壞分布如圖9所示。

圖7　X向?yàn)橹鞣较蜣D(zhuǎn)換層剪力墻各應(yīng)變等級分布圖

圖8　Y向?yàn)橹鞣较蜣D(zhuǎn)換層剪力墻各應(yīng)變等級分布圖

圖9進(jìn)一步顯示,該位置在⑧軸上,轉(zhuǎn)換梁及其上托剪力墻在端部出現(xiàn)局部剪切破壞,達(dá)到屈服狀態(tài)?？蛑Я褐磳?shí)配鋼筋進(jìn)行推覆分析表明,混凝土的剪切應(yīng)變有明顯改善。

轉(zhuǎn)換梁上部承托剪力墻,非滿跨剪力墻以荷載的形式作用在轉(zhuǎn)換梁上,使轉(zhuǎn)換梁剪力發(fā)生突變。若墻滿跨布置,則轉(zhuǎn)換梁與剪力墻共同工作,可降低轉(zhuǎn)換梁端剪力。增加⑧軸轉(zhuǎn)換梁以上2層的剪力墻長度至滿跨,Y向推覆結(jié)果如圖10所示,作為關(guān)鍵構(gòu)件轉(zhuǎn)換梁未出現(xiàn)剪切破壞,處于彈性工作狀態(tài),轉(zhuǎn)換梁上托剪力墻滿跨布置,對轉(zhuǎn)換梁的受力有利。

圖9　轉(zhuǎn)換梁及上部剪力墻 Y向剪切破壞分布圖

推覆分析表明:

結(jié)構(gòu)整體滿足罕遇地震作用下的抗震性能設(shè)防目標(biāo),轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎向與轉(zhuǎn)換構(gòu)件具有很好的抗震能力。

圖10　上部滿跨布置剪力墻的剪切破壞分布圖

5樓板應(yīng)力分析

樓板協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形,使建筑物形成一完整的抗側(cè)力體系。若結(jié)構(gòu)帶有轉(zhuǎn)換層,這就需要轉(zhuǎn)換層樓板把不落地剪力墻的水平荷載傳遞到落地剪力墻上,由于樓板的變形很大,所以必須有足夠的剛度作為保證。

本工程轉(zhuǎn)換層采用彈性樓板假定,其他樓層定義為剛性樓板,考慮水平地震作用、豎向地震作用、風(fēng)荷載作用和長期撓度作用下的樓板應(yīng)力。

轉(zhuǎn)換層在多遇地震和罕遇地震下的樓板應(yīng)力如圖11所示。

圖11　各地震作用樓板應(yīng)力云圖

在多遇地震下,與剪力墻相連處的樓板主要承受拉應(yīng)力,連續(xù)板塊的中部多承受壓應(yīng)力,板塊拉應(yīng)力95.3%低于2.66MPa,小于C60混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85MPa,小震作用下混凝土核心層不發(fā)生裂縫;罕遇地震下樓板大多出現(xiàn)拉應(yīng)力,整個板塊的7.6%超過10.4MPa,最大值達(dá)到21.1MPa。轉(zhuǎn)換層樓板剪力設(shè)計值應(yīng)符合下列公式及文獻(xiàn)[1]第10.2.24條的要求:

(1)

(2)

其中，Vf為由不落地剪力墻傳到落地剪力墻處按剛性樓板計算的框支層樓板組合的剪力設(shè)計值;bf、tf分別為框支轉(zhuǎn)換層樓板的驗(yàn)算截面寬度和厚度;As為穿過落地剪力墻的框支層樓蓋(包括梁和板)的全部鋼筋的截面面積;γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù),可取0.85。

不落地剪力墻的Y向剪力值見表6所列。

表6　不落地剪力墻剪力值　 kN

將以上參數(shù)代入(1)式、(2)式，可得：

Vf≤(0.1×1×27.5×8 500×180)/0.85=

4 950 kN,

23 733 kN。

計算結(jié)果表明轉(zhuǎn)換層樓板抗剪滿足規(guī)范要求。

6抗震加強(qiáng)措施

(2) 樓板應(yīng)力分析表明,轉(zhuǎn)換層樓板厚不小于180mm,采用雙層雙向配筋,且最小配筋率不小于0.25%。為保證應(yīng)力傳遞,轉(zhuǎn)換層相鄰樓層墻體水平筋與邊緣構(gòu)件配筋應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

(3) 提高剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)配筋率,尤其加強(qiáng)與轉(zhuǎn)換梁相連處的剪力墻配筋[8]。

(4) 減弱扭轉(zhuǎn)的不利影響,使結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心盡量接近。當(dāng)扭轉(zhuǎn)位移比太大時,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)四周的剛度,合理布置剪力墻以減小偏心距。

(5) 轉(zhuǎn)換梁上部剪力墻應(yīng)盡量滿跨布置在框支柱間,形成深梁,以達(dá)到與上部剪力墻共同作用,降低框支梁跨中彎矩和梁端剪力。

7結(jié)論

(1) 多遇地震下結(jié)構(gòu)彈性分析表明,樓層最大位移比、側(cè)向剛度比等滿足規(guī)范要求,可保證結(jié)構(gòu)“小震不壞”的設(shè)防水準(zhǔn)。

(2) 通過中震彈性和中震不屈服的內(nèi)力組合對主要豎向構(gòu)件和轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行分析,可以判定結(jié)構(gòu)能夠滿足“中震可修”及既定的性能目標(biāo)。

(3) 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)分析考慮轉(zhuǎn)換梁及相連剪力墻受力特點(diǎn),采用合理的計算模型、材料本構(gòu)關(guān)系及塑性鉸的破壞準(zhǔn)則,以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的薄弱部位。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)布局合理,轉(zhuǎn)換層及上下層無明顯結(jié)構(gòu)薄弱層,結(jié)構(gòu)具有良好的抗震能力。

(4) 通過性能化設(shè)計并采取適當(dāng)?shù)目拐鸺訌?qiáng)措施,確保結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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(責(zé)任編輯馬國鋒)