罕遇地震作用下高層剪力墻結構靜力彈塑性分析

金 松 梅

(延邊職業技術學院,吉林 延邊 133000)

1 研究背景

就目前來看大城市聚集著更多的人口，越來越多的年輕人選擇到大城市進行打拼，所以造就了大城市的人口密集、土地稀缺這一現狀。在大城市中發展高層以及超高層結構已然成為了現實問題。國外已經對高層建筑結構有一定的研究，其研究成果對我國高層建筑結構的發展有一定的借鑒意義。我國是人口大國，高層建筑可以成為解決人均土地較少問題的方法之一，更能成為城市進入現代化的一個標志。大力發展高層建筑具有許多現實意義，例如提高土地利用率、節約社會資源、提升城市形象等。

2 研究意義

在地震頻發的地區，為對建筑結構進行分析，可以通過假設，對其進行線性分析。在多遇地震下現在已經有很成熟的分析軟件和計算辦法，可以將高層建筑結構的受力狀態精確的模擬出來。但是對于罕遇地震，隨著地震強度和時間的增加，在高層建筑結構的構件薄弱區域會發生屈服的情況、構件自由度也會減少[1-4]，最終會導致整個高層建筑結構體系失去穩定性，從而使建筑物發生倒塌。所以對處于罕遇地震作用下的高層結構進行靜力彈塑性分析是非常有必要的。

3 工程概況

本文選擇的建筑為唐山市某一高檔住宅，建筑高度為95.58 m的34層高層建筑，結構的抗震烈度為8度，抗震等級為一級。該高層建筑安全等級二級，場地類型為Ⅲ類，所處地區為抗震不利地區。該房屋結構采用剪力墻體系，橫向剪力墻采用小墻肢，結構平面布置圖如圖1所示。在結構中剪力墻混凝土標號的選用如下：1層～7層為C45,8層～12層為C40,13層～20層為C35,21層～34層為C30；梁板均為C30。剪力墻主筋選用HRB400，箍筋選用HRB335。

4 罕遇地震計算結果分析

4.1 剪力系數

從地震反應譜曲線中可以得到，結構周期(Ts)的增大會使地震影響系數急速降低。當Ts≥3.5 s時，可能會使地震加速度的實際值大于地震加速度的設計值，對于結構來說會使其遭受到更大的損壞。此高層建筑結構的最大周期為1.859 s，由表1得知剪力系數應大于3.2%。

表1 結構樓層的最小地震剪力系數取值表

4.2 重力二階效應

在高層建筑中在風荷載和地震作用下會產生水平位移，一般情況下重力二階效應包括兩個方面：一是重力P-Δ效應，結構在承受風荷載和地震作用下，由于自身重量對構件的內部會產生內力，這種力對水平位移影響比較大，使整個結構的內部失去穩定性。二是由于構件自身的材料、撓度等會產生P-δ效應[5]即附加重力效應。但第二種影響比較小，所以可以忽略不計。對高層建筑中剪力墻結構的穩定性要求是要符合：

其中，EJd為結構一個主軸方向的彈性等效側向剛度；H為房屋高度；Gi為第i層重力荷載設計值。

經計算得出X向剛重比為5.17，Y向剛重比為5.59。計算結果符合《高層建筑混凝土結構技術規程》中對于結構穩定性的要求，因此不需要考慮重力二階效應。

4.3 頂點位移及層間位移角

應用Midas/Gen(建筑結構有限元分析和設計)計算軟件對該結構進行Push-over分析，由圖2知在該地震作用下，X方向產生的最大位移為56.9 mm，而Y向產生的最大位移為71.7 mm。

為了調整好層間位移角的大小，可以嚴格控制各類受力構件出現裂縫的寬度。當層間位移角過大時可以增大構件的橫截面面積，提高鋼筋混凝土的強度與剛度[6]。該結構在此地震作用下Y向最大層間位移角為1/1 056，X向最大層間位移角為1/1 293。該指標與《高層建筑混凝土結構技術規程》中對于層間位移角小于1/1 000的要求相吻合，故該結構層間位移角滿足規范要求。

4.4 剪力墻穩定性驗算

由《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定的計算公式。

其中，q為作用于墻頂組合的等效豎向均布荷載設計值；Ec為混凝土的彈性模量；t為剪力墻截面厚度；l0為剪力墻墻肢的計算長度，由下式確定：l0=βh,β為墻肢長度計算系數，對于單片獨立墻肢取1.0，h為墻肢所在結構樓層的高度。

計算得出剪力墻穩定性。拿出該高層建筑結構中最易失穩單元進行計算連梁墻肢為300 mm，層高為2.9 m經計算得出q為10.8 kN大于設計值，故該結構剪力墻穩定性符合規定。

5 分析結論

1)經過建模，對該高層在罕遇地震下進行了彈塑性分析計算，并將計算結果與《高層建筑混凝土結構技術規程》中的相關規定條文進行對比，該高層建筑結構層間位移角、穩定性等性能表現相對合理，滿足大震不倒的抗震指標。2)結合高層建筑結構中剪重比、剛度比、頂點位移、重力二階效應及剪力墻穩定性驗算能夠找到結構設計中的不合理之處，可以提前進行優化處理。3)Push-over分析方法是將地震的動力效應近似等效替換為靜態荷載，此方法只能分析出結構在靜態荷載作用下的受力性能，而無法直觀反映出結構在地震作用下具體的結構表現，并且由于地震的瞬時變化會造成結構的剛度退化、內力重分布等非線性動力反應，因此對一些重要建筑，應采用彈塑性動力時程分析來驗算結構地震反應。