基于MIDAS的某高层剪力墙结构带端部转换的抗震性能分析.doc

基于 MIDAS 的某高层剪力墙结构带端部转换的抗震性能分析摘 要：本文以某高层剪力墙结构带端部转换为例，采用有限元软件 MIDAS/Building 分别进行多遇地震下的弹性计算和罕遇地震下的弹塑性分析，了解各构件损伤出铰情况，对结构的整体抗震性能进行综合评估计算结果表明，在罕遇地震下转换构件具有较大的侧向刚度和承载能力，能够实现抗震性能设计目标关键词：端部转换，MIDAS，弹塑性分析， 抗震性能引言随着城市化进程的加速，高层建筑不断增多，城市商业区的很多高层建筑往往功能上要求建筑底部具有较大空间用作餐馆、商场，而上部用为写字楼或住宅不同建筑功能的需求产生这类建筑结构形式的转换问题沿竖向的使用功能变化,使得上部结构刚度大,下部结构刚度小,这就要求设计中必须采用合理的结构形式,实现楼层上下部分之间的合理过渡,并沿竖向将两者有效地组合在一起,实现高层建筑的多功能用途根据我国《建筑抗震设计规范》第 3.6.2 条规定：“不规则且具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑结构，应按本规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析” 1.工程概况合肥万达城二期销售物业 C-2 地块，位于合肥市滨湖新区嘉陵江路以南、贵阳路以北、湖南路以东、庐州大道以西之间的地块。

以 A 户型 5#楼为例，南入口门厅及端部带商业部分需转换，存在局部错层剪力墙结构，主体建筑总高度为 89.9m，地上 31 层设防分类及地震作用本工程抗震设防分类为丙类，设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组小震计算分析时按反应谱计算，特征周期 0.35s，结构阻尼比为 0.05，地震影响系数最大值取 0.08转换层以上抗震等级为二级，转换层及以下抗震等级为一级不规则类型参照建设部文件建质【2010】109 号令《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知中的附录一中表一~表三进行不规则情况判断：1、局部转换2、转换层附近扭转位移比大于 1.2,位移角较大3、楼板不连续，转换部位部分错层；门厅处开洞针对不规则情况确定结构预期抗震性能目标本工程的两阶段抗震设计，结合抗震性能设计要求，选用性能设计目标为 C，具体见表1表 1 抗震性能目标抗震目标 多遇 设防烈度 罕遇总体（性能水准） 无损坏 轻微损害，可修复 不可倒塌底部加强区剪力墙弹性 中震弹性 不发生剪切破坏，可局部受弯屈服一般剪力墙 弹性 受弯不屈服，抗剪弹性轻度损坏连梁 弹性 部分受弯不屈服，强剪弱弯中度损坏、部分严重损坏框支柱、框支梁 弹性 中震弹性 不屈服结合抗震性能要求，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》选用等级为 C 的性能目标，其中框支柱、框支梁按《高规》表 3.11.2 的“关键构件”设计。

2.多遇地震下的振型分解反应谱分析1、考虑平扭耦联计算结构的扭转效应控制振型数使振型参与质量不小于总质量的90%，共采用 15 个振型组合2、计算层间位移，侧向刚度比和位移比时采用刚性楼板假定3、考虑偶然偏心，周期折减系数为 0.9，连梁折减系数为 0.7，结构阻尼比为 0.05计算结果如下表 2 示：表 2 整体计算主要结果周期比 基底剪重比% 楼层最大位移比 最大层间位移角 转换层与上一层抗侧刚度比周期/s 自振特性T3/T1 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向T1 2.164 X（平动）T2 2.103 Y（平动）T3 1.625 扭转0.751 1.61 1.671.268(4F) 1.415（1F）1/2212（13F）1/2270（24F）1.81 1.45计算结果表明周期比小于 0.9，基本振型见图 1，结构楼层最小剪重比大于 1.6%，在考虑偶然偏心和双向地震作用下，楼层最大层间位移角小于 1/1000，转换层侧向刚度大于上一层侧向刚度 70%及上三层平均侧向刚度 80%，由于转换层在三层以上，该层与相邻上层的侧向刚度比不小于 60%，竖向转换构件轴压比满足《抗规》6.3.6 条柱轴压比限值 0.6，6.4.2 条墙肢轴压比限值 0.5 的要求。

各计算指标满足规范要求，可保证“小震不坏”的设防准则 (a) (b) (c) 图 1 基本振型(a) 第一振型 (b) 第二振型 (c) 第三振型3．静力弹塑性分析罕遇地震下的计算，采用位移增量控制方法，控制点为剪力墙顶点，停机位移取层高1/100，选用振型加载模式对 X、Y 方向进行推覆分析选用计算配筋，超配系数为 1.15，并考虑梁柱交接刚域结构整体抗震性能X 向 Y 向 图 2 罕遇地震下能力谱法分析结果图 2 为结构沿 X 轴，Y 轴方向能力谱法分析结果，其中红线分别代表相对阻尼比为5%、10%、15%和 20%的罕遇地震弹性需求谱，直线为有效周期线，绿线代表折减后的真实弹性需求谱，蓝线为结构能力谱弹塑性需求谱与能力谱相交，交点及为罕遇地震下的性能控制点性能点处 X、Y 向的层间位移角分别为 1/267 和 1/378，分别出现在推覆的第 13 加载步和第 10 加载步，且均小于剪力墙结构的弹塑性层间位移限值 1/120；性能点处 X 向基底剪力为 10690kN，剪重比为 4.75%，Y 向基底剪力为 14700kN，剪重比为 6.08%。

另外，相应 X、Y向在大震性能点时的基底剪力分别为小震弹性基底剪力的 2.97 倍和 3.64 倍，结构在大震时刚度有一定退化，可保证结构整体“大震不倒”的抗震设防目标结构构件性能分析梁、柱采用非线性塑性铰单元，图 4 为 FEMA 塑性铰特性，其中 B 为屈服状态，IO 为直接居住状态，LS 为使用安全状态，CP 为防止倒塌状态，C、D 为极限状态，E 为坍塌状态塑性铰塑性变形容许准则如表 2图 4 为 X、Y 向罕遇地震下梁在性能点的出铰情况为了解构件耗能情况，对结构进行推覆分析，两个方向的推覆显示：楼层中部连梁梁端率先进入 B 屈服，之后向顶部、底间楼层发展，随着加载步的增加，剪力墙的连梁普遍出现B 屈服，有的达到 CP 防止倒塌状态，部分框架梁梁端也出现 B 屈服，且框梁普遍晚于连梁进入屈服状态到性能点时，结构内有很多框架梁梁端都进入 B 屈服，墙体未出铰，剪力墙具有很好的延性和足够的安全储备构件 框梁 框柱控制指标 转角/rad 转角/radIO 0.005 0.003LS 0.01 0.012CP 0.02 0.015图 3 FEMA 塑性铰特性 表 2 塑性铰塑性变形容许准则(a)X 向 (b)Y 向图 4 转换层及整体梁铰分布图由于第一振型为 X 向，在地震作用下，X 向连梁更易产生塑性铰，较 Y 方向梁铰的屈服程度大。

剪力墙采用非线性纤维模型，塑性铰采用 FEMA 铰每个墙单元分割成竖向 5 个水平向 3个纤维墙单元，剪切材料本构关系使用三折线如图 5 所示，但程序内部默认使用理想弹塑性材料，即将第三折线段的斜率设为零应变等级用于定义墙单元所处的受力状态级别对于双折线类型，第 1 和第 2 等级认为是弹性状态，第 3 等级可认为是屈服状态，第 4 等级可定义为屈服后状态，第 5 等级可认为是极限状态在罕遇地震性能点时两个方向剪力墙混凝土的受压损伤及钢筋的拉压损伤仍为弹性状态，混凝土的剪切除个别墙体外，大部分处于弹性状态与转换梁相连的剪力墙端部出现剪切破坏，达到屈服状态，局部达到第 4 等级,剪力墙延墙平面方向和水平方向混凝土无破坏作为关键构件的转换梁,框支柱未出现塑性铰，均处于弹性工作状态，满足罕遇地震作用下的抗震性能设防目标，Pushover 推覆显示转换层结构具有很好的抗震能力图 6 为在性能点时结构转换层及上层剪力墙各应变等级分布图 5 墙纤维特性（剪切） （a）X 向 (b)Y 向图 6 转换层及上层剪力墙剪切破坏分布图转换梁上部承托剪力墙，剪力墙以集中荷载的形式将作用在转换梁上，会使转换梁与其相连的端部剪力发生突变，对剪力墙非满跨结构尤为明显。

考虑到非满跨剪力墙对转换梁的不利影响，与转换梁相连的上层剪力墙设计为满跨增加转换梁剪力墙至转换层以上两层，Y 向推覆结果如图 7 所示，剪力墙混凝土剪切应变有明显降低图 74.楼板应力分析用 Midas Building 软件对本工程转换层楼板进行应力分析，观察楼板应力分布情况采用弹性楼板假定，考虑水平地震作用、竖向地震作用、风荷载作用和长期挠度作用下的楼板应力荷载组合选用 1.2DL+1.4LL+ SQRT[(RS_0)^2+(0.85RS_90)^2]中庭转换和端部转换处楼板厚 180mm，板、柱混凝土强度等级为 C50，梁为 C60；标准层楼板厚度一般为 120mm，混凝土等级为 C35计算层 3（中庭转换层） 、计算层 4（端部转换层）和计算层 7（标准层）在多遇地震和罕遇地震下的楼板应力云图如图 8、图 9a)中庭转换层（计算层 3）(b)端部转换层（计算层 4）(c)标准层（计算层 7）图 8 多遇地震作用下楼板应力云图(a)中庭转换层（计算层 3）(b)端部转换层（计算层 4）(c)标准层（计算层 7）图 9 罕遇地震作用下楼板应力云图由应力云图可以看出，剪力墙与连梁处的楼板主要承受拉应力，连续板块的中部大部分承受压应力。

多遇地震下最大，最大拉应力达到 5.3Mpa，大部分低于 C35 混凝土抗拉强度标准值 2.20Mpa在罕遇地震下，最大拉应力达到 31Mpa5.抗震加强措施（1）跨内满布剪力墙的转换梁,其与上部墙体的共同作用明显 对于上部托墙的框支剪力墙结构,转换梁和上部墙体存在着共同工作的特性，满跨框支剪力墙的共同工作性能比较强,随着上部墙体的长度的减小,共同工作的性能也随着减小2) 考虑转换层楼板变形较大受力复杂，且楼板变形不均匀对抗侧力构件内力产生较大影响，转换层楼板厚取 180mm，采用双向双层配筋 ，确保楼板不出现贯通裂缝及有效传递水平力3）提高剪力墙底部加强区配筋，尤其加强与转换梁相连处的剪力墙配筋6.结论：（1）多遇地震下结构弹性计算得出的各项抗震性能指标符合规范要求，能满足结构“小震不坏”的设防目标2）罕遇地震作用下的静力弹塑性分析结果显示：剪力墙结构二道防线布局合理，结构在罕遇地震下具有很好的抗倒塌和变形能力，可保证“大震不倒”的设防目标，构件的屈服机制符合“强柱弱梁” 、 “强剪弱弯”的要求3）罕遇地震作用下的结构分析应考虑转换梁及与其相连剪力墙受力特点，采用合理的计算模型、材料本构关系以及塑性铰的破坏准则，以真实反映结构的薄弱部位。

4）通过性能化设计并采取适当的抗震加强措施，确保结构抗震性能目标的实现。