部分框支剪力墻結構抗震性能目標選擇分析

錢路曦 汪小娣

(浙江綠城建筑設計有限公司 浙江杭州 310007)

0 引言

我國自20世紀80年代以來，一直以“三水準兩階段設計”作為基本的抗震設計方法。隨著建筑高度的持續增高以及建筑體型的逐漸復雜化，僅靠提高抗震作用、做經驗性的內力放大、提升構件的抗震等級、按等效彈性法進行大震變形驗算等手段很難精細地在結構的安全性、可靠性、合理性、經濟性之間找到平衡點。到了20世紀90年代初，美國加州大學伯克利分校學者Moehle[1]提出了基于位移的抗震設計思想，美國加州結構工程師協會[2]在此基礎上建立了設計不同水準地震下能達到預期性能水準且能實現多級性能目標建筑的一般框架，基于位移建議了五級性能水準。經過各國學者共同研究和發展，基于性能的抗震設計理論日趨成熟，逐步被納入各國的抗震規范，現已被廣泛認可。我國2010年頒布的《建筑抗震設計規范》[3](以下簡稱《抗規》)和《高層建筑混凝土結構技術規程》[4](以下簡稱《高規》)進一步完善和發展了這種設計方法，使我國的抗震設計從宏觀定性的目標向具體量化的多重目標過渡，業主和設計者可根據項目的重要性、投資額度、設防烈度、結構類型和不規則性、修復難易程度等條件來選擇所需要的性能目標。其中《高規》給出了A、B、C、D四個結構抗震性能目標等級和1、2、3、4、5五個性能水準，每個性能目標均與一組在指定地震地面運動下的結構抗震性能水準相對應。在具體的執行過程中，文獻[5]指出規范中抗震性能設計方法仍有可改進之處，四個抗震性能目標等級并不能完全滿足所有結構類型的設計需求。建設部建質〔2015〕67號文件[6]中的第十二條第(三)點也給出了一些調整抗震性能目標的建議。

本文以蘇州華貿中心B區某高層服務型公寓為例，對《高規》建議的D級抗震性能目標做適當調整，根據結構類型及構件性質細化抗震性能目標要求，按等效彈性法進行各水準地震作用下結構抗震性能分析，并采用動力彈塑性時程分析法做輔助驗證，以此評判抗震性能目標是否合適，結構抗震性能是否能達到預定的抗震性能目標。

1 工程概況

該工程位于蘇州市金門路北側，東側緊鄰軌道交通2號線，集金融、總部辦公、商業零售、文化餐飲、商旅服務為一體，總建筑面積達78萬m2，一共分為A、B、C、D四個區，本文以其中B區06#樓為例。06#樓地下4層、地上25層，總高度82.100 m，底層為大空間商業，第二層以上為服務式公寓。結構體系為現澆鋼筋混凝土部分框支剪力墻，第二層為轉換層，采用型鋼柱+型鋼轉換梁體系，其結構平面布置如圖 1所示，轉換層以上標準層結構平面布置如圖2所示。底部加強部位剪力墻抗震等級為一級，框支框架抗震等級為一級，非底部加強部位剪力墻抗震等級為二級。

圖1 轉換層結構平面簡圖

圖2 標準層結構平面簡圖

1.1 結構規則性判定

依據《抗規》[3]《高規》[4]及建設部建質〔2015〕67號文件[6]相關要求，該工程存在如下的超限情況：

(1)扭轉不規則，位移比超1.4，但小于1.5；

(2)樓板不連續，有效寬度小于50%；

(3)局部不規則：二層存在穿層柱；

(4)構件間斷：二層為轉換層。

針對第(2)點不規則，這里有必要解釋一下。在圖2虛線框位置每3層會設置一塊種植平臺，故結構整體性良好，并不算作凹凸不規則，只有在無種植平臺的樓層存在樓板不連續情況。

綜合來看，06#樓存在兩項平面不規則和兩項豎向不規則，雖然高度未超限，也屬超限高層。

1.2 設計中的不利因素

該工程除了具備的部分框支剪力墻結構的一般特點，還存在以下幾點特殊之處，會對設計產生不利影響：

(1)蘇州市為7度區，根據《抗規》表5.1.4-2查表確定場地特征周期為0.45 s。由于本場地等效剪切波速位于Ⅲ、Ⅳ類場地分界線附近，根據《抗規》4.1.6條規定，允許結構設計通過插值法確定地震作用計算所用的特征周期。根據實測剪切波速取最小值164 m/s內插法確定，覆蓋層厚度取90 m，經插值，該工程場地特征周期取0.54 s。特征周期的增大，意味著地震影響系數曲線峰值平臺段變寬，造成結構地震響應變大。

(2)由于容積率及規劃條件等各方因素限值，結構高度定為82.100 m，剛剛越過規范[4]上部分框支剪力墻抗震等級80 m的分界線，轉換層以上底部加強區剪力墻軸壓比限值為0.5，在結構總高度沒有增加很多的情況下，剪力墻工程量大幅增加，被轉換結構自重加大，且結構剛度過大，剪力墻會吸收更多的地震力，進一步引起剪力墻截面擴大。

(3)1層門廳處局部2層通高，在3層平面存在局部轉換，框支柱的受力情況十分復雜，個別框支柱為超短柱。

1.3 抗震性能目標的選取

結構高度約為A級框支剪力墻結構高度限值的80%，按照常規經驗看，可選C或D級性能目標等級。下文將分析假設06#樓選用這兩種性能目標等級會給設計帶來什么影響。

(1)選用C級性能目標等級：

①設防烈度地震下，所有豎向構件滿足抗彎不屈服，抗剪彈性。框架梁及連梁滿足抗剪不屈服。

②罕遇地震下，框支柱、框支梁、底部加強區剪力墻應滿足抗彎抗剪不屈服。所有豎向構件滿足截面抗剪條件。

部分框支剪力墻結構特點是在轉換層附近存在剛度突變，該區域是結構的薄弱環節，但是非底部加強區樓層受力形式接近常規的剪力墻結構，所以a偏嚴。轉換層以上底部加強區剪力墻需要大量加厚墻體，否則難以滿足b。根據試算，二層～五層剪力墻需加厚到300 mm～400 mm，混凝土用量比按小震設計增加15%左右，用鋼量也大幅增加，這與文獻[7]中所述規律相符，上文提到的不利因素(2)也會加劇工程量的增加。而且加厚的剪力墻會破壞建筑空間的完整性，造成可售面積減少，這是建設單位無法接受的。

(1)選用D級性能目標等級：

①設防烈度地震下，框支柱、框支梁、底部加強區剪力墻滿足抗彎抗剪不屈服。所有豎向構件滿足截面抗剪條件。

②罕遇地震下，框支柱、框支梁、底部加強區剪力墻宜滿足抗彎抗剪不屈服。所有豎向構件滿足截面抗剪條件。

根據上文提到的不利因素(3)，在設防烈度地震下框支柱按抗彎抗剪不屈服設計性能目標有些偏低。對于該工程來說，設防烈度地震下C級和D級目標僅有“應”和“宜”的差別，看似D級是降低了要求，但是規范上并沒有明確規定關鍵構件可以進入屈服階段的比例，所以在實際操作上，底部加強區剪力墻仍然按抗彎抗剪不屈服進行配筋設計，工程量大幅增加等問題依然會存在。

本文參考D級性能目標，提出具體構件性能目標，如表1所示。

表1 抗震性能目標

與D級目標等級相比，本文提高了框支柱的性能目標，降低了底部加強區剪力墻性能目標，使上文提到的不利因素影響大大降低，解決了二層～五層剪力墻加厚帶來的問題。這樣的性能目標究竟合不合理，結構安全性是否能得到保證，需要用分析計算來驗證。

2 結構分析計算

2.1 分析計算軟件

采用盈建科軟件進行多遇地震、設防烈度地震、罕遇地震作用下結構等效彈性計算分析；采用PKPM-SAUSAGE進行彈塑性動力時程分析。

2.2 等效彈性法分析計算

客觀上講結構地震響應過程是非線性的，目前主流的動力彈塑性時程分析法理論上是最符合實際情況的，但是由于非線性計算伴隨著一定的離散性和隨機性，其計算結果很難直接用于結構設計。況且動力彈塑性時程分析前就需要明確各構件配筋，根據彈塑性計算結果再次配筋，這不合邏輯。而等效彈性方法是將原彈塑性體系用等效的彈性體系代替，用替代結構反映原來結構的非線性動態特性。這種方法既考慮了非線性，又能保證計算結果的準確性和穩定性，是目前應用最廣泛的抗震設計計算方法。

影響結構地震響應的主要因素是結構總質量、剛度、阻尼，地震過程中可認為結構總質量不變，主要是結構剛度和阻尼發生了變化。表2給出了3個水準地震作用工況下包括連梁剛度折減系數、結構阻尼比等幾個重要參數。表3以及圖3～圖5為等效彈性分析的主要計算結果。地震作用越大，結構剛度退化越明顯，進入彈塑性變形的比例也越大，故中大震下，結構阻尼比相比小震有所增加，連梁剛度折線系數有所降低。

表2 等效彈性法計算各水準地震作用工況的計算參數

表3 等效彈性法計算得到的結構主要指標

圖3 多遇地震各樓層層間位移角

圖4 設防烈度地震各樓層層間位移角

圖5 罕遇地震各樓層層間位移角

基底剪力是反應結構所受地震作用大小的一個重要指標。從表3的計算結果可以看出，中震作用下結構的基底剪力是小震的2.7倍～2.8倍，大震作用下結構的基底剪力是小震的5.0倍～5.3倍。對于結構總高度不高，以低階振型為主的結構來說，等效彈性法計算所得基底剪力放大的倍數約等于上部結構的地震力放大系數。所以如果該工程底部加強區剪力墻按大震不屈服設計，那么橫截面面積會變得非常大，用鋼量也會成倍增加，實用性和經濟性均會變差。表3中的其余計算指標以及圖3～圖5的層間位移角曲線均滿足規范要求。從配筋計算結果看，各水準地震作用工況下，框支柱的配筋相差不多，剪力墻的配筋與基底剪力成線性關系。

2.3 中震偏拉驗算

部分框支剪力墻結構由于存在轉換層上下剛度突變，中震偏拉驗算顯得尤為重要。計算結果顯示，個別墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力超過了混凝土抗拉強度標準值，該工程按圖6所示將局部剪力墻做加厚處理，將此構件的抗震等級提升到特一級，并在邊緣構件范圍內設置型鋼，以避免剪力墻在地震作用下嚴重開裂而喪失抗剪承載力。

圖6 約束邊緣構件

2.4 動力彈塑性時程分析

上文提到動力彈塑性時程分析并不適合用于直接設計，但可以作為等效彈性設計法的一個重要補充。文獻[8]提到等效彈性法存在兩點缺陷：一是阻尼比的增加程度和連梁折減系數大小估計不準(不同連梁的折減程度及分布規律也是不同的)； 二是內力重分布的機制不能合理模擬，這將導致一些重要構件的內力計算結果可能不準確，并且偏于保守還是偏于危險也無法估計。動力彈塑性時程分析可以從宏觀上對結構的抗震性能做出評價，計算模型考慮構件損傷后剛度的退化和內力重分布，從而驗證等效彈性設計的可靠性。

計算選用2條天然波(TRB2:TH087TG055;TRB3:TH038TG055)以及1條人工波(RGB1,RH2TG055)進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。計算結果匯總于表4。

表4 各組地震波作用下彈塑性大震計算結果匯總表

圖7～圖9為結構構件在罕遇地震作用下(Y主方向)的損傷情況。

圖7 全樓剪力墻受壓損傷云圖(東南等軸測圖)

圖8 一層剪力墻(包括連梁)受壓損傷云圖

圖9 剪二層～三層剪力墻(包括連梁)受壓損傷云圖

圖10 結構頂點位移時程曲線(TRB2-Y)

根據表4以及圖7～圖10，可得出如下結論：

(1)每條地震波的彈塑性基底總剪力為同方向反應譜CQC計算結果的65%～135%，3條地震波基地剪力的平均值為CQC的80%～120%，滿足規范要求。

(2)彈性和彈塑性的最大層間位移角滿足規范要求且數值接近，表明結構總體發生剛度退化和進入非線性的程度較低，和圖7～圖9剪力墻損傷云圖的規律相符，即連梁普遍損傷較大，剪力墻損傷較小，這也進一步說明在大震等效彈性分析時連梁剛度折減系數取0.3是合適的。

(3)轉換構件在罕遇地震作用下，基本無損壞或損傷程度處于輕微至輕度損傷狀態，梁端個別混凝土單元的某些積分點上發生重度損傷，但整個構件能控制在中度損傷范圍內。

(4)從圖10可以看出，在開始階段(0～30s)，彈塑性時程分析的基底剪力與彈性時程分析頂點位移曲線基本重合。30s以后，前者周期逐步變長，說明有部分構件累積損傷，導致結構整體剛度退化。

(5)轉換層以上底部加強區剪力墻損傷程度較輕，說明按中震工況計算控制的剪力墻數量已足夠多，無需再按大震不屈服設計。

3 結論

本文針對部分框支剪力墻結構類型提出了區別于《高規》的性能目標，用等效彈性法對具體工程實例進行分析設計，并用彈塑性時程分析對前者的結果加以驗證。計算結果顯示:06#樓結構布置合理，具有良好的抗震性能，能滿足預期性能目標的要求。對于結構抗震性能目標的選擇，本文有以下建議：

(1)《高規》所列的四級抗震性能目標等級涵蓋了所有結構類型，是可行的但未必是最合適的，抗震性能目標可根據項目本身的特點進行調整。

(2)框支框架是部分框支剪力墻結構中最為重要的部分，應當采用比D級更高的性能目標，其中框支柱可按中震彈性設計，框支梁按中震抗彎不屈服、抗剪彈性設計，且均應滿足大震下最小抗剪截面要求。提升框支框架的抗震性能目標對工程量影響較小。

(3)轉換層以上底部加強區的剪力墻是結構的薄弱環節，但如按大震不屈服設計，混凝土用量將增大15%左右，用鋼量也將大幅增加，對工程的實用性和經濟性影響較大，需慎重對待。可根據彈塑性時程分析結果來判斷是否可以適當降低其抗震性能目標。