某工程超高剪力墻結構性能化設計及損傷分析

楊 城，曹 歷，夏 璐

(四川國恒建筑設計有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

本工程位于四川省，房屋高度147.950 m，采用剪力墻結構。本工程設計使用年限50 a，抗震設防烈度為7(0.1g)度，設計地震分組第三組，抗震設防類別為標準設防類，安全等級三級，場地土類別為二類，采用筏板基礎。基礎持力層選定為中風化泥巖層，基礎埋深為11.050 m，高寬比4.8，長寬比1.1，平面凹凸比0.33。基本風壓為0.3 kN/m2，并考慮基本風壓1.1倍的放大系數。

本工程采用YJK進行小震反應譜分析、小震彈性時程分析及中震、大震等效彈性分析；采用Midas進行小震反應譜分析，復核YJK軟件的計算結果，進行大震動力彈塑性時程分析，軟件模型如圖1所示。

其中YJK墻元計算采用由多個三節點殼和四節點殼單元組成的超單元，Midas Building中的墻單元與樓板中使用的板單元基于厚板理論，并通過對剪切應變的適當假定，使其也能適用薄板的分析中，面外剛度用DKMQ和DKMT計算。YJK墻單元面內剛度使用平面應力單元的計算方法，而Midas Building使用了假設應力雜交法計算三角形和四邊形單元的面內剛度。

2 結構布置

本樓棟為十字型平面結構，長寬比、高寬比適中。主體有核心筒剪力墻和周圍6個角落剪力墻群圍成的筒體組成,提高墻肢利用率和整體穩定性。標準層平面圖如圖2所示，避難層存在局部穿層剪力墻和樓板開洞等不利情況。

墻肢采用底層300 mm墻厚變化到高區的200 mm，混凝土等級底層最高為C60，重點加強避難層穿層墻的墻厚。考慮到X向墻肢短墻肢較多，在結構底部對X向短墻肢增加厚度，提高墻體圍合能力。考慮左右戶型中客廳位置存在Y向無拉結的墻體，增設暗梁提高Y向抗側力能力。并對十字型中間核心筒區域的樓板進行厚度和配筋方面的加強。

3 結構抗震性能目標

結構抗震性能目標是針對某一級地震設防水準而期望建筑物能夠達到的性能水準或等級，是抗震設防水準與結構性能水準的綜合反映[1]。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，本工程超限高層定為D級(性能水準選擇為：多遇地震性能水準1，設防地震性能水準4，罕遇地震性能水準5)。關鍵構件的抗剪承載力高于D級的性能目標(見表1)。

表1 構件抗震性能目標

4 結構彈性分析

4.1 小震分析結果

小震彈性分析采用YJK與Midas對比分析，主要計算結果見表2，兩款軟件所計算的結果和結構指標相近。周期比均小于0.85，滿足規范要求，結構抗扭剛度較好，位移角大于1/1 000，滿足規范要求，且有一定富余，位移比滿足規范不應超過1.4的要求。

表2 小震主要計算結果

4.2 X向短墻肢的框剪結構復核

由于本工程X向墻肢相比Y向墻肢偏少，因此X向上部呈現出彎剪特性的位移曲線(見圖3)[2]，為了全面分析X向豎向構件的受力特點，避免Y向剪力墻承擔大部分水平力，將X向翼墻按照框剪結構進行模擬復核，模擬的方案如下：將X向的短墻肢、端柱改建成框架柱，同時YJK參數填寫考慮0.2V0和1.5Vf,max的較小值調整。

由計算結果可以看出：結構的周期與原結構接近(見表3)，X向框架柱在底部所占X方向傾覆力矩百分比為7.6(見表4)，小于總傾覆力矩的10%，不屬于框剪結構，但是考慮到結構上部的變形接近于框架剪力墻結構，為了保證上部結構柱子的安全，端柱配筋按照X方向框架結構與正常模型包絡配筋。

表3 按框剪結構復核的周期比較

表4 按框剪結構復核的X向墻肢傾覆彎矩百分比

5 彈性時程分析結果

本工程真實地震記錄從美國加州大學伯克利校區的太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center,PEER)的強震數據庫“http://ngawest2.berkeley.edu/”中選擇,此數據庫提供搜索軟件，可根據用戶對場地土特性，目標反應譜曲線等項的要求找出最合適的真實地震記錄。

選取地震記錄的條件如下：

1)選用的地震波的特征與設計反應譜在統計意義上一致,地震時程曲線通過傅立葉變換后與規范反應譜進行比較，其地震影響系數平均值與振型反應譜法采用的地震影響系數相比，在結構主要周期點上相差不大于20%。

2)以彈性時程分析所得的結構主方向基底剪力與同方向振型分解反應譜法的計算結果進行比較，用一組地震波輸入進行時程分析，滿足結構主方向基底總剪力為同方向反應譜計算結果的65%～135%，多組地震波輸入的結果平均值為反應譜計算結果的80%～120%，但不要求結構主、次兩個方向的基底剪力同時滿足這一要求。

3)滿足有效持時:要求輸入的地震波有效時間不小于結構基本周期的5倍和15 s。從首次達到該時程曲線最大峰值的10%那一點算起到最后一點達到最大峰值的10%為止。

4)進行動力時程分析時，用每組雙向地震記錄做兩個時程分析。使用真實地震記錄作為輸入時，兩個分量的作用方向交換一次，各做一次分析。選取加速度峰值較大者為主方向，經過縮放調整后，主方向加速度有效峰值為35gal，次方向有效峰值為30gal(0.85倍主方向)。

使用人工地震記錄時，按X∶Y=1.0∶0.85和X∶Y=0.85∶1.0 的比例各做一次分析,取最不利結果。

本工程選擇5組天然波，然后與手動生成的2組人工波組成7組考察波，匯總詳見表5，反應譜如圖4所示，計算剪力和在主要周期點處(如圖5所示)均滿足規范選擇地震波的要求[3]。

表5 本工程地震記錄數據庫

采用YJK軟件進行彈性時程分析得到的結構底部剪力與振型分解反應譜法(CQC振型組合)底層剪力的對比詳見表6。

由表6可見，根據選波原則選取的地震波，單組地震波輸入所得的基底剪力峰值均在振型分解反應譜法的65%～135%之間，滿足《高規》第4.3.5條要求。位移角計算結果如圖6所示。

時程分析的層間位移角圖表明，最大層間位移角滿足規范限值1/1 000的要求。在高階振型的影響下，部分樓層結構彈性時程分析所得樓層剪力大于振型分解反應譜法的樓層剪力。因此，構件配筋設計時考慮將這些樓層的小震層剪力作相應放大，確保結構構件的安全。

6 構件性能驗算

6.1 豎向構件

為滿足構件的中震性能目標，對模型采用不同的荷載分項系數和材料強度進行了中震彈性和中震不屈服分析。為滿足大震下性能水準5要求，進行了大震不屈服分析。即具體驗算目標為：

中震下底部加強區剪力墻作為關鍵構件，需滿足中震抗彎不屈服、抗剪彈性要求，普通豎向構件，需滿足構件不屈服，且均需滿足最小抗剪截面要求。大震下，底部加強區及非底部加強區的剪力墻及框架柱抗剪截面應滿足《高規》3.11.3-4式的要求。

計算結果表明，極少數構件不滿足抗剪承載力要求，經過相應調整(如微調墻肢截面)使其滿足要求。

6.2 樓板應力分析

樓板作為傳遞地震水平力的重要構件，尤其在大開洞的避難層處顯得十分重要。采用YJK的樓板分析模塊，將樓板設置為彈性板，荷載計算方式為有限元，在中震不屈服下進行計算。圖7,圖8為避難層處樓板應力分布圖，由樓板應力分析可以看出：在地震作用下，避難層及中間樓層除極少數區域的樓板應力集中以外，整體樓板的平均應力較小，均小于樓板混凝土(C30)抗拉強度標準值2.01 N/mm2，可以滿足傳遞水平力的要求。

7 罕遇地震彈塑性分析

7.1 地震波的選擇

目前規范中僅給出多遇地震下彈性時程的選波依據，從結構響應的角度保證了彈性時程分析的有效性，當結構進入彈塑性階段，結構剛度發生較大變化，此時彈塑性時程分析的計算結果與反應譜法的計算結果可能出現較大差異。參考工程界的常用做法，本次選波遵循以下原則：保證在結構主要周期點多波反應譜平均值與大震反應譜相差不超過20%。天然波RSN67(San Fernando)，RSN2683(CHI-CHI Taiwan-03)同彈性設計，地震波10為人工擬合地震波。各波均采用地震峰值加速度最大的方向作為主方向輸入，主、次方向地震波有效峰值加速度比為1∶0.85，峰值加速度取220gal(罕遇地震)，Tg取0.5 s。

7.2 整體計算結果對比

為對比大震彈塑性整體結果，用RSN67，RSN2683和人工波10進行了彈性大震時程分析，得到基底剪力匯總如表7所示，從表7數據可以看出大震等效彈性時程分析的剪力均比大震彈塑性結果大1.05倍～1.3倍，彈塑性大震基底剪力與小震時程基底剪力之比在3.7倍～4.9倍之間，反映了在彈塑性分析中結構部件出現了塑性屈服，耗散了地震能量。由表7中可以看出，結構位移角滿足規范要求，結構滿足性能設計的大震不倒原則。

表7 彈塑性分析結果匯總表

7.3 結構塑性損傷分析

本工程采用MIDAS軟件進行大震彈塑性損傷分析，混凝土材料本構關系中以混凝土的實際應變與混凝土峰值壓應變的比值來定義混凝土的“應變等級”，鋼筋材料本構關系中以鋼筋實際應變與鋼筋的屈服應變的比值來定義鋼筋的“應變等級”，墻單元剪切本構關系中以單元的實際剪切應變與屈服剪應變的比值來定義墻單元的剪切“應變等級”。

本工程存在截面突變墻肢，通過對損傷的分析，可以發現，在連梁和截面突變區域存在損傷發育較深的情況。存在以下兩類墻肢共6處墻肢(如圖9所示)，在截面突變處損傷發育較深(詳見圖10，圖11)。

7.4 結構塑性損傷優化

以減弱剛度的突變幅度為原則進行截面優化，考慮到建筑功能，具體方案有以下兩個方向：1)由一次性單層收截面改為多次多層收截面，減小每層墻肢截面突變尺度，形成剛度漸變。2)增大截面突變上部連梁剛度，以此增強收截面后墻肢剛度，進而減小剛度突變。

為此對Q4b,Q16d分兩次縮短截面到目標長度(見圖12)，對Q15a,Q15a′墻肢上部的連梁增加高度至2 000 mm(見圖13)。

通過前后大震下的彈塑性損傷對比，可以發現，通過改善剛度突變的幅度，可以大幅避免應力的集中，進而減少墻肢的損傷。

8 結論

1)本結構在小震下處于彈性狀態，中震下關鍵構件斜截面處于彈性狀態，正截面滿足不屈服要求，其余豎向構件滿足不屈服要求,大震下滿足彈塑性變形要求及截面控制要求。實現預期抗震性能目標。

2)通過將短墻肢改為柱進行框架剪力墻分析，補充論證了在短墻肢較多的情況下的結構受力特征，對結果進行包絡設計。

3)對大震彈塑性損傷分析表明，通過改善剛度突變的幅度，可以大幅避免應力的集中，進而減少墻肢的損傷，對同類型剪力墻結構有一定的參考意義。