淺析華強金廊城市廣場某轉(zhuǎn)換斜墻結(jié)構(gòu)彈塑性時程
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作者；張毅
1 工程概況
華強金廊城市廣場（一期）3#樓建筑面積約為10萬m2，建筑高度為183. 3m，地上53層，地下4層，屬超B級高度高層建筑，采用框架一雙核心簡結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層層高為3. 1m;6層為轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層高度為6. 65m;為了避免7層剛度突變，將7層層高從3. 1m提高至3.9m，12，27，42層為避難層，層高均為3. 9m。1~29層采用型鋼混凝土柱，其截面尺寸從底部1 200 x1 600(內(nèi)置型鋼截面為H1000 x450×40×40)和1 400 xl 400（內(nèi)置型鋼截面為H 1000×450×40×40）分別收縮至頂部1 000 x1600(內(nèi)置型鋼截面為H1000×450×30×30)和1 200 x1 400(內(nèi)置型鋼截面為Hl 000×450×30×30)；其他層采用鋼筋混凝土柱。核心筒外圍剪力墻厚度從底部800mm收縮至頂部400mm，內(nèi)部剪力墻厚度從底部400mm收縮至頂部200mm。標(biāo)準(zhǔn)層連梁高度為450mm，框架梁截面尺寸為600×600。剪力墻、柱混凝土強度等級從底部C60減小至頂部的C45。標(biāo)準(zhǔn)層樓面采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土梁、板樓面，其中1~7層梁、板混凝土強度等級為C35，其余樓層梁、板混凝土強度等級為C30。建筑效果圖及計算模型見圖1，標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖見圖2。
2 計算模型
2.1計算假定
采用PERFORM-3D軟件建立計算模型，不考慮樓板對梁的剛度貢獻，連梁剛度不折減；暗柱鋼筋采用箱形鋼柱模擬；無大開洞樓板的樓層采用剛性樓板假定。由于剪切破壞屬于脆性破壞，當(dāng)一片主要墻肢出現(xiàn)剪切破壞時，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部嚴(yán)重破壞甚至倒塌，為方便判斷和比較，本文假定當(dāng)出現(xiàn)剪切破壞的剪力墻剪力占本樓層總剪力的20%以上時，判斷結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)剪切破壞。
依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( GB 50010-2010)附錄C提供的混凝土和鋼筋本構(gòu)關(guān)系，在彈塑性分析中，混凝土材料僅考慮受壓，不考慮受拉；鋼筋和型鋼選用三折線型本構(gòu)關(guān)系，并且不考慮材料的強度損失。鋼筋和型鋼本構(gòu)關(guān)系、混凝土本構(gòu)關(guān)系如圖3，4所示。圖3，4中y點表示材料屈服，由鋼材強度標(biāo)準(zhǔn)值或混凝土強度設(shè)計值(FY)控制；U點表示材料達到最大強度，由鋼材極限強度標(biāo)準(zhǔn)值或混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值(FU)控制；L點表示材料開始失效；R點表示材料失效后強度達到最低點并進入平臺段；X點表示材料完全失效；DY，Du，DL，DR和DX分別是控制點Y，U，L，R和X對應(yīng)的應(yīng)變。圖5為墻單元剪切破壞本構(gòu)關(guān)系，圖5中U點表示材料達到極限抗剪強度，R點表示材料失效后強度達到最低點并進入平臺段，X點表示材料完全失效，F(xiàn)u為極限抗剪強度，Du，DR和DX分別是控制點U，R，X對應(yīng)的應(yīng)變。一般來說，結(jié)構(gòu)的損壞程度分為以下4個階段：正常使用階段、10階段（可立即使用）、LS階段（生命安全）和CP階段（建筑物不倒塌）。
梁、柱構(gòu)件根據(jù)實際配筋設(shè)置彈塑性纖維截面，在桿構(gòu)件端部各設(shè)置0. 05倍桿件長度的纖維截面單元，其他區(qū)域為彈性截面單元。由于轉(zhuǎn)換梁的跨高比較小，為監(jiān)測其在大震作用下是否會發(fā)展成剪切脆性破壞，在其纖維模型兩端設(shè)置剪切鉸。剪力墻單元沿布置方向平均劃分纖維并在剪力墻兩端設(shè)置暗柱。
2.2加載和地震波信息
對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析時，分兩步進行加載：1）D（恒載）+0. 5/（活載）靜力計算，由結(jié)構(gòu)所受的靜力荷載計算結(jié)構(gòu)的初始位移、應(yīng)力和損傷；2）初始構(gòu)件的內(nèi)力與變形取靜力計算結(jié)果，進行動力彈塑性時程響應(yīng)計算。
考慮到結(jié)構(gòu)存在較多的轉(zhuǎn)換構(gòu)件，部分剪力墻落于轉(zhuǎn)換梁端部，轉(zhuǎn)換構(gòu)件的受力比較復(fù)雜，在動力彈塑性分析中考慮了豎向地震作用，大震作用時，主方向、次方向、豎向三向地震峰值加速度比例為1：0. 85:0.65，主方向的峰值加速度取220 cm/s2。由于760方向為結(jié)構(gòu)最不利地震作用方向，故分別以00，760和900方向為主方向?qū)Y(jié)構(gòu)進行大震彈塑性時程分析，地震波時程曲線如圖6所示，其中00，760和900方向表示地震作用方向與X向的最小夾角分別為00，760和900。
3 動力彈塑性分析
3.1結(jié)構(gòu)方案
圖7為轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案的立面圖，其中轉(zhuǎn)換梁方案力的傳遞是由剪力墻傳到轉(zhuǎn)換梁上，再由轉(zhuǎn)換梁傳到框支柱上，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為1 500 x3 000(內(nèi)置型鋼截面為H2 500×800×40×50)，框支柱截面尺寸為1 800 x2 800（內(nèi)置型鋼截面為十字形1 400 x900×40×50），混凝土框架柱截面尺寸為1 200 x1 400，1 000 x1 400，核心筒外圍剪力墻厚度從底部的650mm收縮至頂部的400mm，核心筒內(nèi)部剪力墻厚度、梁截面尺寸和型鋼混凝土框架柱截面尺寸見第1節(jié)。轉(zhuǎn)換斜墻方案力的傳遞是由斜墻直接傳遞到框支柱上，梁截面尺寸為800×2 000（內(nèi)置型鋼截面為H1 400×500×30×40），框支柱截面尺寸從底部1 800 x1 800（內(nèi)置型鋼截面為十字形1 400×600×40×50）收縮至1 600×1 600(內(nèi)置型鋼截面為十字形1 200×500×40×50)，混凝土框架柱截面尺寸為1 200 x1400，1 000×1 400,800 x1 200，核心筒剪力墻厚度、梁截面尺寸和型鋼混凝土框架柱截面尺寸見第1節(jié)。
3.2結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果
表1為轉(zhuǎn)換梁方案與轉(zhuǎn)換斜墻方案的周期、質(zhì)量對比�？梢钥闯觯瑑蓚�方案的質(zhì)量非常接近，僅相差0. 6%，但是轉(zhuǎn)換斜墻方案比轉(zhuǎn)換梁方案的周期小10 %左右，說明轉(zhuǎn)換斜墻方案比轉(zhuǎn)換梁方案的結(jié)構(gòu)整體剛度大。
大震作用下主方向計算結(jié)果見表2，其中00方向最大基底剪力表示以0 0方向為主方向進行大震作用時00方向?qū)?yīng)的最大基底剪力，其余同。從表2可知：
(1)3條地震波作用下，轉(zhuǎn)換梁方案00方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/167，760方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/124，900方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/136，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/100，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)）第3.7.5條規(guī)定；轉(zhuǎn)換斜墻方案00方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/162，760方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/146，900方向?qū)娱g位移角包絡(luò)值為1/139，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/100，滿足高規(guī)第3.7.5條規(guī)定。
(2)3條地震波作用下，相比轉(zhuǎn)換梁方案，轉(zhuǎn)換斜墻方案在00方向的最大基底剪力變化沒有規(guī)律，而在760和900方向的最大基底剪力均減小，特別是760方向的最大基底剪力減小明顯，原因是轉(zhuǎn)換斜墻方案的斜墻長度沿結(jié)構(gòu)豎向從高到低逐漸減小，框支柱截面明顯減小，見圖7(b)，使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以下剛度和質(zhì)量減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部地震力減小。由于轉(zhuǎn)換斜墻主要加在79 0方向（圖2），相比轉(zhuǎn)換梁方案，接近于790方向的760和900方向的轉(zhuǎn)換斜墻方案底部地震力減小明顯。
(3)轉(zhuǎn)換斜墻方案00方向的最大層間位移角均比轉(zhuǎn)換梁方案的略大，而760和900方向的最大層間位移角均比轉(zhuǎn)換梁方案的小，特別是76。方向，這與最大基底剪力的規(guī)律基本一致。
(4)轉(zhuǎn)換斜墻方案00，760和900方向的最大樓層位移均比轉(zhuǎn)換梁方案小，這是由于轉(zhuǎn)換梁方案在轉(zhuǎn)換層以上的剛度偏弱，并且在大震作用下豎向構(gòu)件屈服程度較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形較大。
3.3樓層剪力和層間位移角
限于篇幅，以下主要列出天然波1作用下以00,760和900方向為主方向輸入地震波時，結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間位移角結(jié)果。
(1)圖8—10分別為以00，760和900方向為主方向?qū)Y(jié)構(gòu)進行大震彈塑性時程分析時，轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案的樓層剪力。轉(zhuǎn)換斜墻方案00方向中間樓層剪力較小，而底部較大，規(guī)律性不明顯；760方向15層及以下樓層剪力相比轉(zhuǎn)換梁方案減小5% N10%；900方向20層及以下樓層剪力相比轉(zhuǎn)換梁方案減小5% N15%。
(2)圖11~13分別為以00，760和900方向為主方向?qū)Y(jié)構(gòu)進行大震彈塑性時程分析時，轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案的層間位移角。轉(zhuǎn)換斜墻方案中下部樓層00方向?qū)娱g位移角較大，而頂部較小，原因是轉(zhuǎn)換斜墻方案底部的剛度小，所以變形大，而轉(zhuǎn)換層以上由于采用轉(zhuǎn)換斜墻，斜墻直接與框支柱連接，使轉(zhuǎn)換層以上結(jié)構(gòu)的豎向剛度和水平剛度較大，所以變形變��；轉(zhuǎn)換斜墻方案中上部樓層760和900方向?qū)娱g位移角較小，底部層間位移角略大，原因是轉(zhuǎn)換層以下結(jié)構(gòu)底部剛度較小，但由于轉(zhuǎn)換層的剛度提高，使中上部樓層的變形減小。
(3)兩個方案在6層均出現(xiàn)比較明顯的層間位移角突變，特別是760和900方向，原因是6層為轉(zhuǎn)換層，即使采用轉(zhuǎn)換斜墻過渡，也存在一定的剛度突變。
3.4構(gòu)件耗能情況
由于轉(zhuǎn)換斜墻方案在天然波1作用下以900方向為主方向輸入地震波時，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大，限于篇幅，以下主要列出天然波1作用下以900方向為主方向輸入地震波時，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件耗能結(jié)果。
表3為轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案構(gòu)件塑性耗能。從表3可以看出，轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案梁構(gòu)件耗能比例達90%左右，原因是由于標(biāo)準(zhǔn)層連梁和框架梁高度偏小，分別只有450mm和600mm，部分框架梁和連梁過早出現(xiàn)了屈服。轉(zhuǎn)換梁方案比轉(zhuǎn)換斜墻方案的墻構(gòu)件耗能比例高，因為轉(zhuǎn)換梁方案剛度突變比較嚴(yán)重，框支墻的損傷范圍較大。3.5構(gòu)件損傷情況
由于結(jié)構(gòu)在天然波1作用下900方向的層間位移角最大，以下主要列出天然波1作用下以90。方向為主方向輸入地震波時，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件損傷結(jié)果。
(1)框架柱屈服情況
由兩個方案的框架柱損傷結(jié)果可以得出，轉(zhuǎn)換斜墻方案底部2層部分鋼筋混凝土柱鋼筋出現(xiàn)屈服，但屈服程度不大，位于LS階段，其他框架柱構(gòu)件均未出現(xiàn)屈服，框支柱在大震作用下也未出現(xiàn)屈服，說明框支柱具有足夠的強度。
從圖14框支柱拉應(yīng)變時程曲線可知，轉(zhuǎn)換梁方案的框支柱拉應(yīng)變比轉(zhuǎn)換斜墻方案的大4倍左右，說明轉(zhuǎn)換斜墻方案對框支柱比較有利。
(2)梁屈服情況
由兩個方案的梁構(gòu)件損傷結(jié)果可以得出，兩個方案連梁出現(xiàn)大范圍的破壞或屈服，原因是連梁截面較小，在大震作用下過早出現(xiàn)屈服，而外框梁只有個別位置出現(xiàn)屈服，屈服范圍較小。轉(zhuǎn)換斜墻方案的框架梁的損傷范圍和程度比轉(zhuǎn)換梁方案大，原因是轉(zhuǎn)換斜墻方案的剪力墻損傷程度有所減小，使框架梁損傷比例有所增大。兩個方案的轉(zhuǎn)換梁均出現(xiàn)一定程度的彎曲屈服，其中轉(zhuǎn)換梁方案的轉(zhuǎn)換梁彎曲屈服范圍較大，部分轉(zhuǎn)換梁位于LS階段，轉(zhuǎn)換斜墻方案的轉(zhuǎn)換梁彎曲屈服范圍較小，部分轉(zhuǎn)換梁位于IO階段；兩個方案的轉(zhuǎn)換梁剪切工作狀態(tài)均未出現(xiàn)屈服，即在大震作用下轉(zhuǎn)換梁未發(fā)生剪切破壞。
從表4中轉(zhuǎn)換梁軸力可知，轉(zhuǎn)換梁方案比轉(zhuǎn)換斜墻方案的轉(zhuǎn)換梁軸力大0.8倍左右，說明轉(zhuǎn)換斜墻方案的轉(zhuǎn)換梁軸力相對較小。
(3)剪力墻損傷情況
從圖15剪力墻混凝土受壓IO狀態(tài)結(jié)果可以得出，剪力墻受壓損傷集中在1~3層及7~12層核心簡的外圍剪力墻上，剪力墻的受壓損傷程度很小，位于IO階段，其他位置的剪力墻未出現(xiàn)受壓損傷。轉(zhuǎn)換梁方案底部剪力墻受壓損傷與轉(zhuǎn)換斜墻方案的比較接近，而7層以上的剪力墻損傷程度明顯比轉(zhuǎn)換斜墻方案的大，其中轉(zhuǎn)換梁方案在7~12層大部分剪力墻出現(xiàn)10狀態(tài)的受壓損傷，轉(zhuǎn)換斜墻方案僅在7～9層個別剪力墻出現(xiàn)10狀態(tài)的受壓損傷，原因是轉(zhuǎn)換斜墻方案的剛度突變程度不大，轉(zhuǎn)換斜墻直接搭接在框支柱上，豎向變形和剛度突變程度較小。
大震作用下轉(zhuǎn)換梁方案的框支剪力墻出現(xiàn)剪切破壞(圖16(a))，而轉(zhuǎn)換斜墻方案框支剪力墻在大震作用下未出現(xiàn)剪切破壞(圖16(b))，避免了由于剛度突變使斜墻過早出現(xiàn)破壞。
4 結(jié)論
(1)垂直斜墻布置方向，轉(zhuǎn)換斜墻方案相比轉(zhuǎn)換梁方案的基底剪力和變形變化沒有明顯規(guī)律；接近斜墻布置方向，轉(zhuǎn)換斜墻方案比轉(zhuǎn)換梁方案的基底剪力和變形小，原因是轉(zhuǎn)換斜墻方案的斜墻長度沿結(jié)構(gòu)豎向從高到低逐漸減小，框支柱截面明顯減小，使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以下剛度和質(zhì)量減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底部地震力小，而轉(zhuǎn)換層以上則剛度提高，使結(jié)構(gòu)中上部變形小。
(2)轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案在6層均出現(xiàn)比較明顯的層間位移角突變，特別是760和900方向，原因是6層為轉(zhuǎn)換層，但采用轉(zhuǎn)換斜墻方案比轉(zhuǎn)換梁方案的層間位移角突變程度小。
(3)轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案的轉(zhuǎn)換梁均出現(xiàn)一定程度的彎曲屈服，其中轉(zhuǎn)換梁方案比轉(zhuǎn)換斜墻方案的轉(zhuǎn)換梁軸力增大0.8倍左右，說明轉(zhuǎn)換斜墻方案使轉(zhuǎn)換梁的軸力明顯減小。兩個方案的轉(zhuǎn)換梁均未發(fā)生剪切破壞。
(4)轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換斜墻方案在大震作用下局部框架柱出現(xiàn)屈服，屈服程度不大，位于LS階段，大部分框架柱均未出現(xiàn)屈服�？蛑е诖笳鹱饔孟挛闯霈F(xiàn)屈服，說明框支柱具有足夠的強度。轉(zhuǎn)換梁方案比轉(zhuǎn)換斜墻方案的框支柱的拉應(yīng)變增大4倍，說明轉(zhuǎn)換斜墻方案使框支柱的拉應(yīng)變明顯減小。
(5)在大震作用下，轉(zhuǎn)換梁方案比轉(zhuǎn)換斜墻方案的剪力墻受壓損傷范圍大。兩個方案的剪力墻受壓損傷均集中在1~3層及7~12層核心筒的外圍剪力墻上，剪力墻的受壓損傷程度很小，位于IO階段。轉(zhuǎn)換梁方案的框支剪力墻出現(xiàn)剪切破壞，而框支剪力墻通過斜墻過渡，在大震作用下框支剪力墻未出現(xiàn)剪切破壞，避免了由于剛度突變使斜墻過早出現(xiàn)破壞，滿足大震不倒的抗震要求。
綜上所述，由于轉(zhuǎn)換斜墻方案具有減小剛度突變、減小結(jié)構(gòu)豎向變形、在大震作用下避免了由于剛度突變使斜墻過早出現(xiàn)破壞等優(yōu)勢，本工程最終采用轉(zhuǎn)換斜墻方案進行設(shè)計。
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摘要]華強金廊城市廣場（一期）3#樓為框架一雙核心筒結(jié)構(gòu)體系，框支柱采用型鋼混凝土柱，6層為轉(zhuǎn)換層。采用PERFORM．3D軟件對華強金廊城市廣場（一期）3#樓超高層結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析，并對轉(zhuǎn)換梁方案和轉(zhuǎn)換 斜墻方案進行分析對比，通過層間位移角、樓層剪力、構(gòu)件耗能和構(gòu)件損傷等計算結(jié)果得出，轉(zhuǎn)換梁方案的框支剪力墻在大震作用下出現(xiàn)剪切破壞，轉(zhuǎn)換框架的屈服程度和范圍較大；轉(zhuǎn)換斜墻方案的斜墻在大震作用下未出現(xiàn)剪切破壞，避免了由于剛度突變使斜墻過早出現(xiàn)破壞，轉(zhuǎn)換框架的屈服程度和范圍較小，滿足抗震性能要求。
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