平西府鋼板剪力墻抗震性能設(shè)計

1、 平西府車輛段與綜合基地復(fù)雜剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計肖信文，萬紅宇，黃躍斌，馮慧君，朱興剛，柯長華（北京市建筑設(shè)計研究院7S1工作室，北京 100045）摘要 北京平西府車輛段與綜合基地工程的特點及結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，針對工程Y向剪力墻豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，采用了基于性能的抗震設(shè)計；并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多模型、多軟件的反應(yīng)譜和時程分析，以及局部構(gòu)件的補(bǔ)充驗算。在首層采用鋼板剪力墻及二層采用變截面鋼板剪力墻，有針對性地采取加強(qiáng)措施。計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和性能均能達(dá)到設(shè)計的預(yù)期性能目標(biāo)和規(guī)范要求。關(guān)鍵詞鋼板剪力墻；時程分析法；抗震性能設(shè)計；豎向不連續(xù)Steel plate shear wall Seismic

2、Performance Design of The pingxifu vehicle depot and comprehensive base Xiao xinwen,Wan Hongyu, Huang Yuebin, Feng Huijun, Zhu Xinggang,Ke changhuaAbstract: This paper aims to introduce the features and structure design of PINGTXIFU vehicle depot and comprehensive base engineering. Seismic performan

3、ce design was adopted to deal with the Y direction lateral force resisting member discontinuous problem. In addition, multi-model Analysis, response Spectrum, time History Analysis and Added checking of local parts were introduced to this design. Some targeted strengthen measures (steel plate shear

4、walls and variable cross-section shear-wall) were employed to the first floor and second floor respectively. Analysis result shows that structures performance and function can highly meet to design object and code requirements.Key words: steel plate shear wall; time-history analysis; seismic perform

5、ance design; vertical discontinuity工程概況近年來，在軌道交通樞紐上建大型商住綜合體大量涌現(xiàn)。為了同時滿足軌道交通、車站人流、商業(yè)住宅功能需求，并充分利用土地，這些建筑多采用大底盤多塔結(jié)構(gòu)體系（如建于2000年北京通惠家園住宅小區(qū)項目，此住宅位于北京地鐵四惠站），其抗震設(shè)計有很多難題有待解決。北京平西府車輛段與綜合基地工程，該工程位于北京地鐵8號線線路北端終點，其整體效果圖見圖1，其E-F區(qū)為兩層大底盤上建3棟23層住宅，其短軸方向（Y向）剪力墻因為底部列車車道影響而無法全部落地（圖2）。因此，為解決其抗震問題，工程創(chuàng)新采用了剛度均勻過渡的底部大開洞鋼板剪力墻

6、體系。下面著重介紹該結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計目標(biāo)、技術(shù)難點和計算分析結(jié)果。 ( 作者簡介：肖信文，1979- 結(jié)構(gòu)工程師，)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)平西府車輛段與綜合基地工程E-F區(qū)的底部為兩層框架大底盤結(jié)構(gòu)，首層層高9.4m，二層層高4.5m，主要柱網(wǎng)尺寸為15.9m7.2m，12.6m8.6m。大底盤上為23層剪力墻結(jié)構(gòu)，室外地坪至檐口總高度為79.4m。標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8m。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，工程抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），類場地，根據(jù)勘察報告，場地特征周期為0.45s，地震影響系數(shù)max=0.16；基本風(fēng)壓為0.45KN/m2 地面粗糙度為B類。圖1 整體效果圖Y向剪力墻（a） F區(qū)

7、首層平面布置圖（b） 剖面圖圖2 F區(qū)首層平面及剖面圖設(shè)計目標(biāo)和技術(shù)難點3.1 工程的復(fù)雜性平西府車輛段與綜合基地工程E-F區(qū)設(shè)計的主要技術(shù)困難在于其大底盤首層頂9.4m標(biāo)高以下Y向剪力墻受列車車道影響無法全部落地（X方向的剪力墻可落地）。為解決該問題，工程曾考慮了X方向是剪力墻結(jié)構(gòu)，Y方向是框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，此種結(jié)構(gòu)形式X向(縱向)剛度連續(xù)，但Y向無抗震第二道防線，對抗震極為不利，另一種考慮是高位隔震，但由于大底盤上23層剪力墻平面高寬比4，隔震效果不明顯，最后選擇了大開洞鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系。其Y向結(jié)構(gòu)如圖3所示，為保證豎向構(gòu)件連續(xù)，并考慮層剛度平緩過渡，Y方向剪力墻采用兩端為T形短肢、中部

8、為十字形短肢的落地剪力墻厚墻墩，首層墻體開大洞，二層及以上各層墻體均按剛度需求開洞。 采用此方案，該結(jié)構(gòu)尚存在以下超限內(nèi)容：1）由于首層與二層層高相差懸殊，雖為剪力墻結(jié)構(gòu)，但是Y方向落地的僅是厚墻墩，Y方向首、二層剛度比接近于0.5；2）裙房與主樓整體計算時，在地震作用下扭轉(zhuǎn)位移比比較大；3）由于本工程沒有地下室，雖然基礎(chǔ)埋深滿足規(guī)范要求并采用了樁基礎(chǔ)，但還需按彈塑性大震作用抗傾覆驗算。綜上所述本工程結(jié)構(gòu)具有一定程度的不規(guī)則性和復(fù)雜性，設(shè)計中需要采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。圖3 Y向墻體一三層開洞示意3.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計性能目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計在常規(guī)的三水準(zhǔn)抗震性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充以下性能目標(biāo)：1、在同時考

9、慮雙向水平和豎向地震作用下，底部短肢墻的偏壓、偏拉承載力按大震不屈服設(shè)計；2、按彈塑性的大震作用抗傾覆驗算。計算分析方法和結(jié)果4.1 計算分析方法為保證計算結(jié)果的合理性，分別采用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的SATWE（2005版）和Computer&Structures，Inc編制的ETABS中文版（V9.7版）兩種不同的力學(xué)模型的三維空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件進(jìn)行整體計算，分析比較；小震計算時采用“安評報告”提供的地震動參數(shù)；中震、大震計算時采用規(guī)范提供的地震動參數(shù)。由于工程受力比較特殊，故本工程還補(bǔ)充了彈性時程分析。4.2模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)周期見表1。結(jié)構(gòu)周期比較表

10、1項目SATWEETABS結(jié)構(gòu)基本自振周期（s）周期（s）振型周期（s）振型T11.1333Y向1.074Y向T20.8763X向0.798X向T30.6741扭轉(zhuǎn)0.576扭轉(zhuǎn)T40.3826Y向0.408Y向T50.3254扭轉(zhuǎn)0.327扭轉(zhuǎn)T60.2640X向0.248Y向從模態(tài)分析得到的周期結(jié)果可知兩種程序計算得到的周期相近，震動特性一致，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比滿足規(guī)范要求。4.3 振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析結(jié)果小震作用下根據(jù)震型分解反應(yīng)譜計算得到的彈性分析結(jié)果見表-2彈性計算結(jié)果比較表2軟件SATWEETABS方向XYXY總剪力（KN）68003 83711 64170

11、79350 最大層間位移角1/21501/12971/26071/1209位移比1.21 1.291.46 1.24 剪重比（%）7.699.427.69.3工程采用ETABS程序進(jìn)行彈性時程分析，時程分析選用Elcentro，Dsst天然波和“安評報告”提供的人工波5063。峰值加速度取70cm/s2，地震波的持續(xù)時間均大于結(jié)構(gòu)基本自振周期（1.13s）的5倍，時間間隔為0.02s，滿足規(guī)范的要求。時程分析樓層剪力計算對比如圖4， 各工況下的底部剪力見表3。 （X向）（Y向）圖4 X,Y向各工況下樓層剪力對比圖 時程地震剪力/反應(yīng)譜剪力 表3計算方法地震波X方向底部剪力（KN）Y方向底部剪力

12、（KN）X向時程反應(yīng)譜Y向時程反應(yīng)譜結(jié)論反應(yīng)譜法6417079350-時程分析Dsst68100547001.060.690.65Elcentro75300701001.170.880.65人工波506358000648000.900.820.65平均值67133632001.050.80.8以上圖表表明，每條時程曲線計算的樓層剪力與反應(yīng)譜計算的樓層剪力雖有相差，但平均值很接近；結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，均滿足規(guī)范的要求。從X，Y向剪力對比圖中可知，反應(yīng)譜計算得到的樓層剪力和時程計算的樓層剪力

13、很相近，設(shè)計時可按反應(yīng)譜的結(jié)果設(shè)計。4.4 大震不屈服分析計算工程底部短肢墻承載力按大震不屈服驗算， “安評報告”中提供的地表50年超越概率2%的地震動參數(shù)大于規(guī)范值，故按規(guī)范進(jìn)行大震效應(yīng)計算。計算時，剪力按大震的標(biāo)準(zhǔn)組合，材料強(qiáng)度按標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行驗算，抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1.0，水平地震影響系數(shù)max=0.9，峰值加速度取400cm/s2 ,計算模型考慮部分構(gòu)件進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)阻尼比增大至0.07。考慮彈塑性時大震抗傾覆驗算 主樓和裙房整體計算模型，進(jìn)行了考慮彈塑性時大震抗傾覆驗算。驗算結(jié)果表明，在考慮樁23%的特征值拉力時滿足設(shè)計要求。 為了考慮安全起見，對不考慮裙房有利影響的主樓整體計算模型

14、，進(jìn)行了在小震、中震以及大震作用下的主樓抗傾覆驗算。驗算結(jié)果表明，小震下的計算結(jié)果滿足設(shè)計要求，樁不受拉；中震計算結(jié)果滿足要求，樁不受拉；大震結(jié)果需考慮樁拉力承受的傾覆彎矩占總傾覆彎矩13%。4.6 Y向單榀墻體底部有限元分析首層Y向墻肢較短，層高較高，通過二三層墻體采取下小上大斜墻做法，避免一層頂大梁成為轉(zhuǎn)換梁，結(jié)構(gòu)整體抗震計算時梁剛度不折減?？紤]底部各層墻肢截面及形心位置有變化，因此對Y向一三層墻體做有限元分析，大震下的Y方向單工況應(yīng)力圖見圖5 圖5 應(yīng)力圖（單位：MPa）從圖5可知，首層及以上各層連梁兩端應(yīng)力較大，在大震作用下連梁兩端會出現(xiàn)塑性絞；首層連梁兩端下部存在較大應(yīng)力，為使首層連

15、梁在大震下不出現(xiàn)塑性絞，連梁按拉彎構(gòu)件設(shè)計，設(shè)計時考慮連梁底部設(shè)置型鋼與墻墩中的型鋼連接，增加首層的整體剛度。關(guān)鍵截面設(shè)計和構(gòu)造措施 首層的Y向墻墩為本工程的關(guān)鍵部位，混凝土強(qiáng)度等級為C50,鋼板強(qiáng)度等級為Q345。承載力按大震不屈服控制，墻垛取寬1400，長度根據(jù)建筑條件分別取3400，1000，2000（如圖6）。在大震作用下，墻肢截面寬度取1400時抗震計算不能滿足要求，因此在墻肢內(nèi)增設(shè)型鋼及鋼板， 做法如下：墻墩一1400 x3400（翼緣厚50，腹板厚40），墻墩二1400 x1000(翼緣厚30，腹板厚25)，墻墩三1400 x2000(翼緣厚40，腹板厚30)。按照等效剪切剛度計

16、算原則，將鋼板混凝土墻折算為厚1800的混凝土墻進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)抗震計算。圖6 構(gòu)件大樣圖由于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程及鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中并無類似鋼板混凝土墻體計算公式，工程的鋼板混凝土墻的截面抗剪承載力驗算參考了中國建筑科學(xué)研究院有關(guān)研究成果。計算思路如下，按照下列公式先計算出型鋼及鋼板承擔(dān)的地震剪力，剩余部分地震剪力由混凝土部分承擔(dān)，通過調(diào)整型鋼、鋼板的厚度使剩余部分的地震剪力小于混凝土的抗剪承載力， Vcw1RE(0.2cfcbwhw0) Vcw=V-1RE(0.25faAa+0.5-0.5fpAp) 由于是計算大震下的抗剪截面，式中RE取1.0，大震下結(jié)構(gòu)整體計算內(nèi)力分析時考慮阻尼

17、比取0.07。鋼板混凝土組合剪力墻構(gòu)造由于首層層高較高，首二層的剛度比為0.53，并且豎向構(gòu)件不連續(xù)，因此在首二層設(shè)置了鋼板混凝土組合剪力墻，墻墩斷面如圖6，一號墻柱采用箱型截面，考慮翼緣較厚（計算需厚60），根據(jù)市場要求翼緣采用厚50，腹板采用厚40，因此翼緣伸出腹板成型，并且翼緣采用下大上小的變截面形式，充分考慮受力性能，并且更好的和二層的鋼板過度。由于整個墻墩在大震作用下內(nèi)力較大，縱筋較多，并且考慮墻墩和裙房轉(zhuǎn)換梁及主樓連梁的縱筋和H型鋼的連接，墻墩采用型截面（3D圖如圖7），縱筋盡量放置在外側(cè)。考慮和混凝土的共同作用，鋼板上開灌漿孔以及在翼緣上設(shè)置栓釘。二層墻厚變薄，首層的型鋼改成工字

18、型鋼，并且二層為變截面墻，因此在工字型鋼的腹板對焊腹板變截面的T型鋼（3D圖如圖7），圖7 一號墻柱3D圖結(jié)論上述計算分析表明，報告中所采用結(jié)構(gòu)方案能夠滿足性能目標(biāo)：（1）首層主樓Y向剪力墻墻墩設(shè)置型鋼及鋼板后承載力滿足大震不屈服要求，并滿足 大震下受剪截面控制條件。（2）通過裙房X向設(shè)置剪力墻，減少大底盤裙房角柱及邊柱的位移，使考慮扭轉(zhuǎn)的位移比滿足規(guī)范要求。（3）大震下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算結(jié)果表明，單樁上拔力不大于單樁抗拔承載力特征值的25%，滿足控制目標(biāo)。另外，在首層主樓大跨連梁和裙房首層大跨梁及其支撐框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，提高了構(gòu)件的承載力和延性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在按性能目標(biāo)進(jìn)行截面設(shè)計和鋼筋、鋼骨配置并采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施后，建筑可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防要求。致