躍層剪力墻結構的抗震性能分析

蘭旭博

Seismic Performance Analysis of Spring Layer Shear Wall Structure

LAN Xu-bo

摘要：我國《高層建筑混凝土結構技術規程》設計規范規定，對于能夠采取相應措施保證平面內整體剛性的建筑結構，可以采用剛性樓板假定計算結構的內力和位移，且計算精度能滿足設計要求。但躍層結構中，由于其樓面缺乏整體性，使結構受力更復雜。本文根據躍層中開洞層樓板的特點，定義不同的結構模型，通過有限元計算不同的模型，對比分析各模型在地震下的響應，以保證結構設計時的合理性。結果表明，奇數層樓板開洞面積較大，在地震作用下下，按彈性樓板假定與按剛性樓板假定對結構的整體性能指標產生了一定的影響。

Abstract： Relevant design codes in China stipulate that the rigid floor assumption can be used to calculate the internal force and displacement of the structure， and the calculation accuracy can meet the design requirements. However， because of the lack of integrity of the floor， the stress of the structure is more complex. In this paper， different structural models are defined according to the characteristics of floor slabs with openings in jump storeys. Different models are calculated by finite element method， and the responses of each model under earthquake are compared and analyzed to ensure the rationality of structural design. The results show that the opening area of odd floor is large. Under earthquake action， the assumption of elastic floor and rigid floor has certain influence on the overall performance index of the structure.

關鍵詞：隔層開洞;彈性樓板假定;抗震性能

Key words： barrier opening;elastic floor assumption;seismic performance

中圖分類號：TU352.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）32-0160-03

0? 引言

隨著建筑學的進步和人們的需求以及社會各方面的原因，越來越多的建筑規范中要求不具體的不規則高層建筑應運而生，所以建筑結構的設計理論知識也應不斷探索，趙西安是較早研究樓板在高層結構中的作用以及影響的專家之一，其后越來越多的研究學者開始研究平面不規則結構。建筑結構形式的不規則主要包括平面不規則以及豎向不規則。本論文主要研究躍層中奇數層平面不規則的方面。主要的研究內容如下：

①根據奇數層樓板的特點，定義不同的結構模型，用PKPM-SATWE分別計算不同的模型，對比分析各模型在地震下的響應，以保證結構設計時的合理性。

②找出應力復雜的奇數板樓層，分析樓板的受力情況和不同的樓板假定下對其受力的影響。

③用MIDAS Building對不同模型進行靜力彈塑性分析，研究各模型在罕遇地震下的差異及安全性，以此指導躍層結構設計中，模型的選取和結構設計的優化。

1? 工程概況

1.1 工程簡介

本文研究的鋼筋混凝土剪力墻結構為南京市的板橋鎮商業住宅樓，如圖1。地上27層，一層為商業，二到二十七層為商業住宅。建筑總高度76.9m，標準層層高2.9m。本文只研究地上部分，只建立地上27層模型。工程概況如下結構安全等級二級;工程設計使用年限50年;7度抗震設防烈度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第一組，II類建筑場地，建筑場地的設計特征周期0.35s;剪力墻抗震等級：二級，一層到三層為底部加強層。建筑抗震設防類別：標準設防類，簡稱丙類。混凝土結構構件的裂縫控制等級：三級。

1.2 結構模型

由于結構中間設有抗震縫并且工程兩邊結構相似，所以取右邊結構為研究對象。奇數標準層建筑平面圖如圖 2所示。

1.3 模型設計過程

模型A，模型B，模型C的初步設計中相同的設計參數：混凝土容重26kN/m2;墻元細分最大控制長度為1m;彈性板細分最大控制長度1m;采用模擬施工加載3的恒活荷載計算信息;風荷載作用結構的阻尼比5%考慮了順風向風振影響;結構重要性系數為1級。

三種模型不同的假設：

模型A在SATWE分析階段奇數層樓板選擇了平面內剛性的剛性板。

模型B在SATWE分析階段奇數層樓板選擇了平面內真實的彈性膜。

模型C在結構建模階段奇數層無樓板。

主要結構材料見表1。

2? STAWE有限元計算分析

2.1 周期計算結果

①由表2可知模型A與模型B周期相差很小，可見躍層結構中，同一剪力墻結構模型，開大洞樓層在剛性樓板假定與彈性樓板假定下對結構周期的影響有限。

②由模型A與模型B知，在彈性樓板假定下的周期都要稍微大于剛性樓板假定下的周期。

③由模型C與模型A或者B對比下可以知道，如果不考慮開大洞的奇數層樓板，結構周期會增大，并且不容忽略，因此在結構設計中不能忽略存在奇數層開大洞的樓板。

2.2 層間位移角分析

由表3可知三種模型的最大層間位移角均能滿足規范的1/1000。模型A的最大層間位移角出現在16層，最大層間位移角是1/1384。模型B的最大層間位移角出現在15層，最大層間位移較是1/1375，而模型C的最大層間位移角出現在14和15層定義的廣義層中，最大層間位移較是1/1161。

剛性樓板假定下的模型A每一層的最大層間位移角都要略小于彈性樓板假定下的模型B的最大層間位移角，可見在抗震下彈性階段計算時，躍層結構中不宜按全剛性樓板對結構建模。但是由模型C得到，不考慮奇數層的樓板時，結構的在地震下的剛性減小很明顯，較模型A與模型C計算結果差距較大，躍層剪力墻結構設計中宜避免此設計模型。

3? 各層樓板的詳細分析及加強措施

地震中樓板在將水平作用給傳遞豎向構件及協調其變形中起著重要的作用，所以對樓板的詳細分析很有必要。

在中震作用下，結構在X向地震下最大層間位移角發生在11層，最大數值為0.00083。結構在Y向地震下最大層間位移角發生在15層，最大數值為0.00094。因此本文選取第11層研究X向中震作用下的響應。選取第15層研究Y向中震作用下的響應。

地震通過計算得出中震作用下奇數層樓板面的拉壓應力，裂縫寬度和撓度。結果表明，剛性樓板假定下的第15層樓板（14F）在X向地震工況下樓板應力最大達到了2.9MPa，大概有2%的部分達到了混凝土拉應力1.57MPa的設計值。彈性樓板假定下的這一層最大樓板應力達到了2.3MPa，大概有1%的部分達到了混凝土拉應力1.57MPa的設計值。樓板在中震下混凝土開裂，應該在局部加大樓板厚度而且適當提高配筋率。

各模型在Y向地震工況下的應力分布顯示出一致性。剛性樓板假定下的第15層（14F）的在Y向地震工況下樓板應力最大達到了2.3MPa，彈性樓板假定下的這一層樓板應力也最大達到了2.3MPa，大概有0.5%的部分達到了混凝土拉應力1.57MPa的設計值。

4? 靜力彈塑性分析

為了對結構在大震下的抗震性能進行評價，本工程采取Midas building軟件進行大震作用下的彈塑性動力時程分析。

由靜力彈塑性分析結果看出，結構在大震作用下，小部分墻鉸發生屈服，但是可以滿足大震不倒的抗震目標。而且在彈性樓板假設下塑性鉸面積大于剛性假設下。所以考慮到安全性，工程設計中對于躍層結構，工程師要考慮開洞樓層的變形并對結構進行彈塑性分析，找到屈服點進行針對性的加固。

參考文獻：

[1]JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]趙西安.考慮樓板變形計算高層建筑結構[J].土木工程學報，1983，16（4）：23-28.

[3]高彬森，李滿，王穎.軸壓比對裝配式雙面疊合雙肢剪力墻抗震性能的影響研究[J].價值工程，2018，37（36）：138-139.

作者簡介：蘭旭博（1993-），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向為結構設計。