內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻有限元整體分析研究

戴明明++陶忠++郭春紅

摘要：現(xiàn)階段學(xué)者們研究的組合剪力墻在250米以下超高層建筑中的應(yīng)用具有一定的局限性。本文提出一種更加適合在100米至300米的高層建筑中使用的內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻。本文針對(duì)所提出的內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻，結(jié)合昆明某一高層剪力墻結(jié)構(gòu)，基于SAP2000對(duì)普通剪力墻結(jié)構(gòu)與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的層間位移，層間剪力，底層部分剪力墻的受力狀態(tài)以及塑性鉸發(fā)展情況做對(duì)比分析。結(jié)果表明：內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻的剛度，承載能力相比普通剪力墻有較大提高。

Abstract： At present， scholars have studied the application of composite shear walls in super high-rise buildings below 250 meters， which has some limitations. This paper presents a composite steel shear wall with built-in steel support， which is more suitable for high-rise buildings from 100 meters to 300 meters. This paper proposed the composite shear walls with built-in steel support， combined with a high-rise shear wall structure in Kunming， and based on SAP2000， made an elastic-plastic time history analysis on ordinary shear wall structure and composite shear wall structure with built-in steel support under rare earthquake. Through the analysis of the interlayer displacement， the interlaminar shear force， the stress state of the lower part of shear wall and the plastic hinge development of the two kinds of structures， the paper makes a comparative analysis. The results show that the stiffness and carrying capacity of the composite shear wall with built-in steel support are higher than those of the ordinary shear wall.

關(guān)鍵詞：超高層；剪力墻；內(nèi)置鋼支撐剪力墻；SAP2000；罕遇地震

Key words： super high-rise；shear wall；shear wall with built-in steel support；SAP2000；rarely encountered earthquake

中圖分類號(hào)：TU973+.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0128-03

0 引言

本文基于鋼板混凝土組合剪力墻和內(nèi)藏鋼桁架混凝土組合剪力墻[1-5]提出新型內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻。這種剪力墻具有良好的抗震性能，施工構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，適用于100米至300米的高層建筑，特別是對(duì)在高烈度地區(qū)的高層建筑的使用，具有重要意義。它的結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)部分：鋼筋混凝土墻體，內(nèi)置于墻體中的型鋼框架和沿型鋼框架對(duì)角線的鋼帶支撐。其構(gòu)造見圖1。

這種結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

①鋼框架提高剪力墻的豎向承載力和抗側(cè)剛度；

②鋼框架連同剪力墻內(nèi)的鋼筋網(wǎng)使剪力墻內(nèi)混凝土處于三相約束狀態(tài)，從而獲得更高的承載力；

③斜向支撐鋼帶約束鋼框架的側(cè)向變形，獲得更好的側(cè)向剛度；

④鋼帶與混凝土無錨固措施，允許鋼帶發(fā)生軸向拉壓變形，獲得更好的耗能能力；

⑤鋼框架與鋼帶通過節(jié)點(diǎn)板連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工難度低。鋼框架之間采用鋼帶連接，可以避免混凝土澆筑的密實(shí)型，施工質(zhì)量容易保證。

本文對(duì)提出的新型組合剪力墻使用SAP2000軟件進(jìn)行模擬。通過有限元進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。對(duì)比普通剪力墻和新型內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻兩種結(jié)構(gòu)的層間位移，層間剪力，底層部分剪力墻的受力狀態(tài)以及塑性鉸發(fā)展情況，了解抗震性能。

1 基于SAP2000的剪力墻高層住宅模型建立

本文所分析工程位于云南省昆明市為剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)層數(shù)為地上25層，地下一層，地震烈度為8度，抗震設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，場(chǎng)地特征周期為0.45s，場(chǎng)地類別為二類。

原工程由PKPM設(shè)計(jì)軟件完成，使用盈建科軟件將原PKPM模型轉(zhuǎn)換為SAP2000的.S2K文件，進(jìn)而使用SAP2000進(jìn)行模型的后期修改。轉(zhuǎn)換后的模型包含結(jié)構(gòu)的荷載信息，部分配筋信息以及與原模型一致的墻，梁的布置。組合剪力墻布置的樓層為底部加強(qiáng)層1至4層，對(duì)稱布置在結(jié)構(gòu)外圍。SAP2000普通剪力墻結(jié)構(gòu)與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻整體結(jié)構(gòu)模型見郭春紅畢業(yè)論文[6]。

經(jīng)反復(fù)對(duì)模型進(jìn)行修改，剪力墻整體結(jié)構(gòu)的STAWE模型與轉(zhuǎn)換后的SAP2000模型質(zhì)量差值，結(jié)構(gòu)自振的前三階周期以及反應(yīng)譜法計(jì)算的層間剪力差值均滿足模型轉(zhuǎn)化的要求，可以進(jìn)行SAP2000模型的分析。

其中SAP2000普通剪力墻結(jié)構(gòu)模型與原PKPM模型信息對(duì)比如表1-表3所示。

2 內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻高層建筑的整體動(dòng)力分析項(xiàng)目

我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求采用二階段三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法[7]。第一階段設(shè)計(jì)是承載力和使用狀態(tài)下的變形驗(yàn)算。取多遇地震時(shí)的眾值烈度。此時(shí)建筑處于使用狀態(tài)，視建筑為彈性體系，采用反應(yīng)譜理論計(jì)算地震作用。用彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移，進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。然后按極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)構(gòu)件，滿足規(guī)范對(duì)中震設(shè)防烈度的響應(yīng)要求。第二階段設(shè)計(jì)是彈塑性變形驗(yàn)算。對(duì)特殊重要的建筑、地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)以及有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，除進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性層間變形驗(yàn)算（包括時(shí)程分析法的補(bǔ)充計(jì)算），并采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)大震不倒的設(shè)防要求[7-8]。

因原設(shè)計(jì)的普通剪力墻結(jié)構(gòu)在多遇地震下的承載能力已經(jīng)滿足要求，本文重點(diǎn)在獲得一種相對(duì)簡(jiǎn)便的內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻彈塑性分析的方法，并初步了解內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻在整體結(jié)構(gòu)中的作用。故本文只對(duì)普通剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)和內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻高層建筑進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。對(duì)比普通剪力墻結(jié)構(gòu)和內(nèi)置鋼支撐組提出的內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。罕遇地震作用下的彈塑性分析選擇EL CENTR NS波，其波形圖如圖2所示。地震加速度按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定的時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的最大值在SAP2000中進(jìn)行地震最大加速度的設(shè)置，分析所用地震加速度時(shí)程的最大值見表4。根據(jù)本工程的抗震基本信息，最大地震加速度值按400cm/s2計(jì)算。SAP2000時(shí)程分析計(jì)算法為非線性直接積分法[9]。

3 內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻高層建筑罕遇地震彈塑性分析結(jié)果

經(jīng)SAP2000對(duì)普通剪力墻和內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻整體模型的非線性時(shí)程分析，本節(jié)主要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移，底層部分剪力墻的受力狀態(tài)以及塑性鉸發(fā)展情況做對(duì)比分析。

3.1 普通剪力墻與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻整體模型層間位移對(duì)比

通過在SAP2000中定義廣義位移可以直接提取結(jié)構(gòu)的層間位移位移分析得出內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻的存在有效地降低了剪力底部加強(qiáng)部位的層間位移，但X方向5至10層的層間位移依舊比較大。Y方向結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位層間位移較大，但內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻結(jié)構(gòu)的位移明顯小于普通剪力墻結(jié)構(gòu)，相比普通剪力墻結(jié)構(gòu)X方向降低了9.5%，Y方向降低了24.4%。這表明內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻顯著提高了底部加強(qiáng)部位的抗側(cè)剛度，對(duì)減輕地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)效果較好。

3.2 普通剪力墻與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻整體模型底部墻體受力分析

根據(jù)EL CONTR NS波最大加速度對(duì)應(yīng)時(shí)刻提取底層剪力墻X方向和Y方向的應(yīng)力進(jìn)行分析得出內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻結(jié)構(gòu)由于具有較大的剛度，在地震作用時(shí)所分擔(dān)的剪力也較大。因此組合剪力墻的應(yīng)力明顯大于普通剪力墻。剪力墻的應(yīng)力對(duì)比也說明內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻的使用改變了整體結(jié)構(gòu)的受力分配，結(jié)合前面對(duì)位移的對(duì)比分析，可以看出具有更高剛度的內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻在地震作用下分擔(dān)了更多的作用力，較高的剛度和承載力有效地降低了結(jié)構(gòu)底部的層間位移。這對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力是有利的。

3.3 普通剪力墻與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻整體模型塑性鉸發(fā)展情況分析

通過非線性時(shí)程分提取在地震加速度最大時(shí)刻剪力墻結(jié)構(gòu)中塑性鉸的發(fā)展?fàn)顩r，分析內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻對(duì)梁受力的影響。塑性鉸主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部1至6層，且塑性鉸的發(fā)展處于第一階段即立即使用階段。這表明結(jié)構(gòu)底部1至6層雖然進(jìn)入塑性階段但其塑性程度還沒有威脅到結(jié)構(gòu)的安全。普通剪力墻與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻塑性鉸出現(xiàn)的層數(shù)并無差別。

為了進(jìn)一步了解組合剪力墻對(duì)梁塑性發(fā)展產(chǎn)生的影響，單獨(dú)取出結(jié)構(gòu)底層分析從塑性鉸的發(fā)展情況可以看出，在X向地震作用下，普通剪力墻結(jié)構(gòu)部分梁端出現(xiàn)塑性鉸，但與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻結(jié)構(gòu)相比，其塑性鉸數(shù)量較多，除了結(jié)構(gòu)中部出現(xiàn)塑性鉸，靠近結(jié)構(gòu)外圍的梁上也出現(xiàn)了塑性鉸，而組合剪力墻結(jié)構(gòu)由于外圍布置有內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻，其外圍并沒有出現(xiàn)塑性鉸，這表明內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻的存在提高了結(jié)構(gòu)的剛度，減小了結(jié)構(gòu)的層間位移。在Y向地震作用下，由于該結(jié)構(gòu)Y方向剛度較小，兩種結(jié)構(gòu)在該方向的地震作用下，出現(xiàn)的塑性鉸明顯多于X方向，但相比普通剪力墻結(jié)構(gòu)，組合剪力墻結(jié)構(gòu)中塑性鉸較少，這一現(xiàn)象表明，內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻提高了Y方向的剛度，較少的塑性鉸同樣位于布置有內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻的結(jié)構(gòu)外圍。

4 小結(jié)

本文基于SAP2000對(duì)普通剪力墻結(jié)構(gòu)與內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的層間位移，層間剪力，底層部分剪力墻的受力狀態(tài)以及塑性鉸發(fā)展情況做對(duì)比分析。我們可以得出內(nèi)置鋼支撐的存在顯著提高了底部加強(qiáng)部位的抗側(cè)剛度，有效降低加強(qiáng)層的層間位移。同時(shí)內(nèi)置鋼支撐組合剪力墻的使用改變了整體結(jié)構(gòu)的受力分配，分擔(dān)了混凝土墻體的受力，有效地分擔(dān)了梁的受力，增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載力，減少了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下底部加強(qiáng)部位受到的損傷，改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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