超限高層框支剪力墻結構的抗震性能分析

陳長美 錢 江 陳長錫

（1.上海天華建筑設計有限公司，上海200235；2.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海20092；3.長安大學公路學院，西安710064）

超限高層框支剪力墻結構的抗震性能分析

陳長美1，2，*錢 江2陳長錫3

（1.上海天華建筑設計有限公司，上海200235；2.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海20092；3.長安大學公路學院，西安710064）

框支剪力墻結構容易在底部形成大空間，可以滿足變化多樣的使用要求。但框支剪力墻結構易在底部形成薄弱層，不利于抗震。以云南某在建帶高位轉換層超限高層框支剪力墻結構為具體研究對象。首先，采用通用有限元程序ANSYS對該結構的抗震性能進行較為細致的數值模擬分析；接著，對該結構進行抗震性能綜合分析；并采用彈塑性需求譜的改進能力譜方法對結構抗震性能進行評估。最后，通過改變轉換層上、下剛度比以及轉換層高度的方式，討論了框支層相對剛度及位置對結構整體抗震性能的影響。以期為此類型建筑設計的改進提供參考建議。

框支剪力墻結構，轉換層，剛度比，推覆分析，彈塑性時程分析

1 引 言

20世紀80年代以來，高層建筑發展迅速，建筑朝體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展［1，2］。由于建筑功能的需要，框支剪力墻結構在高層建筑結構中大量應用。框支剪力墻結構上部作為住宅、寫字樓，下部用作商業設施具有優越的使用功能，但這種結構形式一般底部剛度較小，容易形成薄弱層，對結構抗震不利。

2 工程概況

云南某在建項目B棟132.00 m，裙房為5層商業用房，層高同住宅塔樓，分別為6.0 m、4.8 m、4.8 m、4.8 m、6.2 m，屋面標高26.60 m。裙房與塔樓間不設縫，住宅塔樓與商業裙房下設四層地下室，主要用作地下車庫和商業。采用部分框支剪力墻結構體系，在塔樓5層頂設轉換層，轉換層以上為剪力墻體系，以下為部分框支剪力墻體系。水平轉換構件為2.5 m高箱型轉換層，轉換層頂、底樓板厚200 mm。箱型內部肋板（腹板）寬600～800 mm，肋梁內設置H型鋼，以提高其承載力及延性性能，含鋼率6%～9%。肋梁截面由截面剪壓比控制。框支柱截面邊長為1 200～1 600mm。框支柱內設十字形鋼骨，以提高其承載力及延性，含鋼量8%。框支柱尺寸由其抗彎承載力控制。

3 ANSYS有限元數值計算分析

圖1給出結構的有限元計算模型，圖2給出結構分析所用的典型節點位置示意圖。

圖1 有限元計算模型Fig.1 Finite element calculation model

圖2 典型節點位置示意圖Fig.2 Typical node location diagram

本文通過對某在建超限框支剪力墻結構的ANSYS有限元數值模擬計算來研究此類結構的抗震性能［3，4］，針對影響框支剪力墻結構抗震性能的幾個主要因素［5］，通過改變轉換層上、下剛度比以及轉換層高度的方式，討論了框支層相對剛度及位置對結構整體抗震性能的影響。以期為此類型建筑設計的改進提供參考建議。

3.1 時程分析

該建筑物場地屬于Ⅲ類場地，結構按8度抗震設防，設計基本加速度為0.20 g，分析中不考慮地下室，結構底層與基礎剛接。結合設計單位建議及主體結構計算分析的要求，選擇以下5條地震記錄作為激勵。

TH1TG055波：由PKPM公司提供，為天然地震波，單向輸入。

TH3TG055波：由PKPM公司提供，為天然地震波，單向輸入。

RH3TG055波：由PKPM公司提供，為人工地震波，單向輸入。

Taft地震波：為天然地震波，雙向輸入。

El Centro地震波：為天然地震波，雙向輸入。

彈性時程分析按8度多遇地震作用的工況進行，輸入的加速度時程曲線按照《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［6］進行調整，即最大幅值調整為70 cm／s2。地震波雙向水平輸入時，其加速度最大值按1∶0.85的比例調整。采用通用有限元程序ANSYS進行計算分析，模型見圖1。由計算結果可知，典型節點N9與結構的重心很接近，以下均取N9的位移響應分析。

圖3 各工況小震作用下結構最大位移響應曲線Fig.3 Themaximum displacement response curve of structure under frequent earthquake

圖4 各工況小震作用下結構最大層間位移角響應曲線Fig.4 Themaximum inter-story drift curve of structure under frequent earthquake

表1 彈性時程分析結構響應結果匯總Table 1 The response results of the structure under elastic time-history analysis

從圖3、圖4可以看出，由于結構裙房在Y方向的貢獻使結構在Y向變形均勻，而結構X方向則顯現了框支剪力墻結構的變形特點，在下部框支層的變形較大，有突變。

從表1可見，小震作用下，X向最大層間位移角平均值為1／2 260，最大值為1／1 574；Y向最大層間位移角平均值為1／1 308，最大值為1／1 006。平均值滿足設定的抗震性能目標，即小震時最大層間位移角不大于1／1 000。

彈塑性時程分析按8度罕遇地震作用的工況進行，輸入的加速度時程曲線最大幅值調整為400 cm／s2。

從圖5、圖6可以看出，罕遇地震下結構的變形規律與多遇地震作用結果類似。

從表2可見，大震作用下，X向樓層最大側移為509 mm，Y向樓層最大側移為876 mm；X向最大層間位移角平均值為1／263，最大值為1／122；Y向最大層間位移角平均值為1／214，最大值為1／120。滿足設定的抗震性能目標。

圖5 各工況大震作用下結構最大位移響應曲線Fig.5 Themaximum displacement response curve of structure undermajor earthquake

圖6 各工況大震作用下結構最大層間位移角響應曲線Fig.6 Themaximum inter-story drift curve of structure undermajor earthquake

表2 彈塑性時程分析結構響應結果匯總Table 2 The response results of the structure under elasto-p lastic tim e-history analysis

3.2 靜力推覆分析

對結構進行靜力推覆pushover分析，采用三種不同的水平力加載方式：①水平推覆荷載沿豎向按均布方式；②水平推覆荷載沿豎向按倒三角方式；③水平推覆荷載沿豎向按第一振型方式。三種加載方式水平力沿豎向分布可見圖7，由于在轉換層樓層處質量很大，故水平荷載在此發生突變。三種方法推覆分析X、Y方向結構基底剪力-頂點位移曲線見圖8。

圖7 計算模型三種不同的水平加載方式（推覆分析）Fig.7 Three different lateral loading schemes on structure model（pushover analysis）

圖8 計算模型基底剪力-頂點位移曲線（推覆分析）Fig.8 The base shear-top displacement curve of structuremodel（pushover analysis）

圖9 X向大震作用下結構位移響應曲線（第一振型加載）Fig.9 The displacement response curve of structure undermajor earthquake in X direction（firstmode loading scheme）

圖10 Y向大震作用下結構位移響應曲線（第一振型加載）Fig.10 The displacement response curve of the structure undermajor earthquake in Y direction（firstmode loading scheme）

三種推覆方法下結構的基底剪力頂點位移曲線相差較大，說明加載方式對框支剪力墻結構推覆分析結果影響較大。

以下的推覆位移響應曲線，“大震”目標位移參考彈塑性時程分析計算結果“Avg”曲線，取結構X、Y向頂點位移角分別約為1／500、1／270時刻考查推覆分析結構的位移及應力響應。

從圖9、圖10可以看出，隨著結構進入彈塑性狀態，結構層間位移角響應最大值出現在16～21層間，表明結構破壞主要發生在這些樓層。

根據計算得到的三種不同水平加載方式作用下結構推覆分析的響應結果，使用改進能力譜方法對塔樓的抗震能力進行評價。其中改進的能力譜法是將多自由度轉化為等價的單自由度體系，建立單自由度體系的能力圖，同時建立單自由度體系的等延性設計譜，將等延性設計譜轉化為加速度位移格式后與等價單自由度體系能力譜加以比較，來確定結構的彈塑性抗震性能。

8度罕遇地震作用下結構的最大加速度影響系數αmax＝0.9。Ⅲ類場地的設計特征周期Tc＝0.55 s。按照相似關系分別構造延性系數μ＝1，1.5，2，3，4時的非彈性需求譜曲線Sa-Sd。同時將結構的基底剪力-頂點位移曲線轉換成Sa-Sd格式的能力譜曲線，將能力譜曲線和需求譜曲線繪制在一起，8度罕遇地震作用時結構的能力譜需求譜曲線見圖11、圖12。

圖11 X向8度罕遇地震下能力譜與需求譜曲線Fig.11 The power spectrum and demand spectrum curve under 8 degreemajor earthquake in X direction

圖12 Y向8度罕遇地震下能力譜與需求譜曲線Fig.12 The power spectrum and demand spectrum curve under 8 degreemajor earthquake in Y direction

結構在8度罕遇地震下能力譜與需求譜都有交點，通過此性能點反推到推覆曲線中找到對應的荷載步下結構的位移響應見圖9、圖10。結構X向最大層間位移角為1／330，結構Y向最大層間位移角為1／309，均滿足規范結構彈塑性位移角限制1／120的要求，說明結構能抵御8度罕遇地震，且結構X向抗震能力強于Y向。

3.3 轉換層高度及其上、下剛度比［7］對結構抗震性能的影響分析

由于框支剪力墻結構沿豎向剛度發生突變，底層框—剪結構的延性較差，因此結構的抗震性能較差。為研究如何提高框支剪力墻結構體系的抗震性能，以下在此項目基礎上做以下改變：

（1）通過改變框支層落地剪力墻墻厚來改變其轉換層上、下剛度比，從中得出轉換層上、下剛度比對框支剪力墻結構抗震性能的影響；

（2）改變轉換層設置高度，即增加轉換層下部“框支”結構的層數，相應減少轉換層上部剪力墻結構的層數，而結構總層數不變，研究不同轉換層高度下框支剪力墻結構的抗震性能。

對改變轉換層高度、改變框支層剪力墻厚度的結構進行彈塑性時程分析，輸入地震波選Taft＿Y。依據樓層典型節點位置N9得到X向結構位移響應對比（圖13）、Y向結構位移響應對比（圖14）。

從時程分析的結構樓層位移和層間位移角響應結果可見，降低轉換層高度或增加框支層剪力墻的厚度，結構的位移響應會減小，層間位移角也隨之變小，尤其對框支層的位移響應有較明顯的改善，兩種調整均可提高結構的抗震性能。

圖13 彈塑性時程分析X向結構位移響應對比Fig.13 The X direction displacement response of structure under elasto-plastic time-history analysis

圖14 彈塑性時程分析X向結構位移響應對比Fig.14 The Y direction displacement response of structure under elasto-plastic time-history analysis

4 結 論

（1）從時程分析的結構位移響應曲線可以看出，整體上結構在X方向的最大層間位移角較Y方向的要小，但在下部框支層，結構X方向的最大層間位移角偏大，明顯大于結構上部的層間位移角，體現出框支剪力墻結構的弱點，框支層為結構薄弱層。

（2）由時程分析可知，結構在小震和大震下的最大層間位移角均小于規范限值；由靜力推覆分析可知，結構在均布、倒三角和振型組合三種不同的加載方式下均能滿足規范的抗震要求。

（3）從彈塑性靜力推覆pushover分析，結構在8度罕遇地震下能力譜與需求譜都有交點，而且性能點對應結構的位移響應滿足規范的要求，表明該結構能抵御8度罕遇地震。

（4）計算結果也表明由于裙房在結構Y方向的貢獻使結構在Y向的變形沿豎向變化比較均勻，而結構X向，沒有裙房貢獻，變形在框支層有突變，可見合理的布置裙房能改善框支剪力墻結構的剛度變化也是提高結構整體抗震性能的一種有效方法。

（5）從彈塑性時程分析的結構樓層位移和層間位移角響應結果可見，降低轉換層高度或增加框支層剪力墻的厚度，結構的位移響應會減小，層間位移角也隨之變小，尤其對框支層的位移響應有最明顯的改善，兩種調整均可提高框支剪力墻結構的抗震性能。

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Study on Seism ic Performance Evaluation for Com plicated Framed Shear Wall Tall Building Structure

CHEN Changmei1，2，*QIAN Jiang2CHEN Chengxi3
（1.Tianhua Architecture Planning and Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200235，China；2.State Key Laboratory of Disaater Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200235，China；3.School of Highway，Changan Unirersity，Xi’an 710064，China）

The shearwall structure with supporting frames form some large spaces on ground floor easily，and satisfy more purposes.But this kind of structural system is usually weak on the ground floors，it violates the seismic concept design.A code-exceeding high-rise building structurewith high-level transfer story under construction in Yunnan province is taken as the specific research object in this study.Firstly，a refine finite elementmodel of prototype structure is established.Then，an comprehensive analysis on seismic performance of the structure is given，and the improved capacity spectrum method of the elasto-plastic demand spectrum is used to evaluate the seismic performance of this structure.Finally，the influence of ratio of stiffness between the structure over the transfer storey and under the transfer storey and the heightof transfer storey on the global seismic performance is analysed，with the purpose of offering advice on the design of this kind of structure.

frame-supported shearwall structure，transfer storey，ratio of stiffness，pushover analysis，elastoplastic time-history analysis

2013-08-21

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAJ13B02），自然科學基金重大研究計劃項目課題（91315301-4）*聯系作者，Email：chenchangmei＿2007＠126.com