某不規則少墻框架結構中剪力墻抗震性能分析與建議

于 恒 兵

(中煤科工重慶設計研究院(集團)有限公司，重慶 400016)

1 工程概況

本工程位于重慶市云陽縣北部新區迎賓大道，建筑效果見圖1。項目由2棟22層塔樓、1棟5層裙房、2層地下車庫組成，最大建筑高度99 m，總建筑面積約12.2萬m2。設計合理使用年限50年，結構安全等級為二級，抗震設防分類標準為丙類。本地區抗震設防烈度為6度(0.05g)，地震分組為第一組。場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s。基本風壓0.35 kN/m2，地面粗糙度B類。

2 結構布置

裙房地下2層、地上5層，建筑高度23 m，最大平面尺寸117.7 m×45.4 m，標準柱距8.4 m。塔樓及裙房結構嵌固于地下室頂板，嵌固層以上塔樓與裙房間設150 mm抗震縫。裙房擬采用框架結構，經結構試算，裙房結構單元扭轉效應明顯[1]。擬在結構平面東北、西北角設置厚250 mm、長5.2 m的剪力墻，墻端柱600 mm×600 mm，以增大結構平面抗扭能力，增設剪力墻后結構布置如圖2所示，裙房結構三維模型如圖3所示。

3 對比分析

采用考慮扭轉耦聯振動的CQC反應譜法對裙房結構增設剪力墻前后進行對比驗算，結果顯示，增設剪力墻后解決了第二周期為扭轉周期和周期比不滿足規范限值的問題，結構扭轉效應得到解決，達到了預期效果。設置剪力墻前后結構單元周期對比如表1所示。

4 抗震性能目標

少墻框架是介于框架結構與框架—剪力墻結構之間的一種結構形式，按照多道防線的概念設計要求，剪力墻是第一道防線，在設防地震或罕遇地震下先于框架破壞，由于塑性內力重分布，框架部分按側向剛度分配的剪力會比多遇地震作用下大。由于少墻框架中剪力墻的布置形式、數量等通常不滿足規范對于框架—剪力墻結構的要求，結構整體抗震性能較差，為此，有必要對其在中震、大震作用下的可靠性進行專門的分析和研究。

表1 設置剪力墻前后周期對比

階段周期周期比設置剪力墻前T1=1.844 4(Y)T2=1.690 8(T)T3=1.539 1(X)0.92設置剪力墻后T1=1.643 8(Y)T2=1.554 4(X)T3=1.313 7(T)0.80

為驗算少墻框架中剪力墻在地震作用下的抗震性能以及對整個結構單元的影響，綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素，設定結構性能目標為D級，具體詳見表2。

表2 結構抗震性能目標

5 多遇地震計算分析

采用彈性時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算。時程分析時選取兩組天然波(TH119TG045，TH002TG045)和一組人工模擬波(RH1TG045)作為地震波曲線。三組地震波持續時間分別為59.10 s,28.48 s,30 s，持續時間T>15 s和5T1，記錄步長0.02 s，峰值加速度多遇地震為18 cm/s2，設防地震為50 cm/s2，罕遇地震為125 cm/s2。規范譜與地震波平均譜計算結果的擬合程度如圖4所示，T1，T2，T3周期點上影響曲線相差值分別為3.78%,1.03%,11.52%，計算結果滿足《抗規》5.1.2條要求，在統計意義上基本相符。

多組地震力作用下X向、Y向各樓層剪力包絡如圖5所示，地震作用效應按《抗規》5.1.2條取3組時程計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果相比的較大值進行結構設計，由程序自動按樓層考慮地震力放大系數。

6 設防地震計算分析

按照設定性能目標，對剪力墻進行中震不屈服驗算，并采用中震不屈服與小震彈性驗算結果進行包絡設計，地上1層墻肢及端柱驗算結果對比如圖6所示。

計算顯示，剪力墻中震不屈服驗算出現主筋超筋，端柱出現全截面配筋率超限。可知剪力墻小震彈性計算截面、配筋不能滿足中震不屈服的驗算要求。設計若按小震彈性驗算結果為依據進行施工圖設計，將造成剪力墻在設防地震作用下的受彎屈服，達不到設定的性能目標。

7 罕遇地震計算分析

采用PUSH進行罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析，特征周期增加0.05 s，Tg=0.50 s。考慮地下室推覆分析，當X向推覆力達到23 298.5 kN時，約為小震反應譜基底剪力的4.39倍，結構達到推覆性能點，此時最大層間位移角為1/231；當Y向推覆力達到21 519.9 kN時，約為小震反應譜基底剪力的2.44倍，結構達到推覆性能點，此時最大層間位移角為1/208，均能滿足框架—剪力墻結構彈塑性層間位移角限值1/100的要求，證明結構能滿足“大震不倒”的抗震性能設計目標。采用EPDA進行動力彈塑性補充驗算，底部剪力墻在罕遇地震作用下較早出鉸，造成時程后期結構扭轉效應的明顯增加，柱、梁出鉸加快，說明少墻框架中關鍵部位剪力墻的過早屈服對整個結構抗震性能有較大的影響。結合中震、大震驗算結果，原結構體系中剪力墻無法實現設定性能目標，需對其布置形式、截面尺寸進行調整，并重新進行驗算以達到設定的D級性能目標。

8 結語

少墻框架結構中的剪力墻由于剛度相對較大，在地震作用下會承擔較大的地震力，作為二道抗震防線中的第一道防線，一般先于框架柱出現塑性鉸破壞，但由于其布置數量較少，通常對整個結構體系的抗震性能影響不大。但因為少墻框架結構抗震性能較差，采用時須謹慎對待，以避免剪力墻受力過大、過早破壞而導致整個結構體系的破壞。當不可避免時，建議從以下幾個方面加以認真研究：

1)剪力墻應均勻布置，避免形成過大的剛度集中或剛心偏置，從而導致結構扭轉效應。

2)宜采取將剪力墻減薄、開豎縫、開結構洞、配置少量單排鋼筋等措施，減小剪力墻的作用。

3)剪力墻布置在結構體單元的關鍵部位、薄弱部位時，應保證多道防線和必要的安全富裕度，并加強抗震構造，避免剪力墻在地震作用下的過早破壞而影響人員疏散及消防救援，甚至導致整個結構的連續倒塌。

4)框架部分的地震剪力值，宜采用框架結構模型和框架—剪力墻結構模型二者計算結果的較大值[2]，保證二道防線的框架具有一定的抗側力能力。

5)應根據規定水平力作用下結構底部框架承受的地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值，確定相應的設計方法和構造措施。按框架—剪力墻結構確定結構位移控制指標和剪力墻抗震等級。

6)關鍵部位剪力墻宜按照性能化要求進行設計和必要的補充驗算，適當提高剪力墻的抗震性能目標，保證其在地震作用下的延性，通過確保少數關鍵構件可靠性的途徑保證整個結構單元的安全可靠。