ABSTRACT

In the high-rise building shear wall structure, when the basement roof is discontinuous due to the faulty layer, the horizontal seismic force will pass through the basement roof or the outdoor lateral soil to the shear wall at the staggered layer. In order to avoid the brittle shear or torsional failure of the fault layer under the action of earthquake and affect the seismic performance of the whole structure, it is necessary to take relevant strengthening measures in the engineering design to reduce the adverse effects caused by the staggered layer of the basement. In this paper, YJK building structure design software is used to analyze the common structural strengthening measures of the high-rise shear wall structure in the basement of the basement in the project, and the seismic performance index and shear wall of the overall structural model under different strengthening measures are obtained. The internal force and stress distribution show that the dynamic characteristics and seismic response characteristics of the structure under the three structural measures are very small, and have little effect on the calculation results; both the inclined beam plate structure and the distributed staggered structure can effectively reduce the maximum shear force and peak stress at the staggered layer, and the stress distribution is relatively uniform; the twisted structure has a certain degree of improvement on the stress of the shear wall, and the stress distribution is similar to the structure without structural measures at the staggered layer, and the force transmission effect is not as good as the first two construction measures.

Keywords:High-Rise Building, Basement Roof, Split Layer, Shear Wall, Strengthening Measures

高层建筑地下室顶板错层处抗震构造措施分析

聂运启

武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉

收稿日期：2019年4月16日；录用日期：2019年5月1日；发布日期：2019年5月8日

摘 要

高层建筑剪力墙结构中，当因错层导致地下室顶板不连续时，水平地震力将通过地下室顶板或室外侧向土传到错层处的剪力墙上。为避免地震作用下该错层部位发生的脆性剪切或扭转破坏，影响整体结构的抗震性能，有必要在工程设计中采取相关加强措施以减小地下室顶板错层带来的不利影响。本文采用YJK建筑结构设计软件，对工程中地下室顶板错层的高层剪力墙结构几种常用的构造加强措施进行反应谱法分析，得到不同加强措施下结构整体模型的抗震性能指标以及剪力墙的内力和应力分布，对比结果表明：三种构造措施下结构的动力特性以及地震反应特征区别很小，对计算结果几乎没有影响；斜梁板构造与分布错层构造均能有效地降低错层处的最大剪力和峰值应力，且应力分布较均匀；加腋构造对剪力墙受力情况有一定程度的改善，应力分布与错层处无构造措施的结构类似，传力效果不如前两种构造措施。

关键词 :高层建筑，地下室顶板，错层，剪力墙，加强措施

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1. 引言

当室外地下室顶板与塔楼首层楼板标高存在错层时，错层处的剪力墙和深梁需承担巨大的剪力和扭矩 [1] 。特别是以地下室顶板作为嵌固端时，错层高差处的传力性能显得尤为重要。此前已有针对错层处加腋深梁有限元细部研究 [2] ，针对框架结构地下室顶板错层处构件内力研究 [3] 。本文提出通过错层处斜梁板，如图1(a) [4] 、提高高层建筑结构地下室周边一跨处梁高分步错层，如图1(b)、错层处整体加腋构造，如图1(c) [5] 所示等措施帮助传递剪力弯矩。

图1. 三种错层构造措施

本文建立以上三种不同构造措施，以及无构造措施的地下室顶板错层高层建筑结构的对比模型，研究其在水平地震作用下的传力性能。

2. 工程概况以及模型的建立

本工程建筑平面尺寸149.7 m × 222.8 m，地面以上由11幢16~33层框剪结构或剪力墙结构单体组成，抗震设防烈度6度、设计基本地震加速度0.20 g、场地类别II类。

本工程1层地下室，地下室顶板平面见图2。其中，第6#楼33层剪力墙结构，地下室层高5.0 m，上部结构首层层高3.2 m，标准层层高2.9 m，与基础相连构件的最大底标高−4.6 m，地下室顶板主楼内外高差1.0 m。地下室部分剪力墙300 mm厚，上部剪力墙厚200 mm，外扩地下室部分柱截面尺寸。标准层主梁200 mm × 550 mm；地下室顶板主楼以外主梁300 mm × 900 mm，主楼以内主梁250 mm × 600 mm；地下室顶板主楼内外高差1.0m。地下室顶板板厚主楼内180 mm，主楼外300mm，错层处连梁均取300 × 1400 mm。屋面恒载4.5 kN/m²，活载2.0 kN/m²；标准层恒载1.5 kN/m²，活载2.0 kN/m²；主楼范围内地下室顶板恒载1.5 kN/m²，活载4.0 kN/m²；主楼范围外地下室顶板恒载取18 kN/m²，活载4.0 kN/m²。

图2. 地下室顶板平面(阴影范围内为6#楼)

实际工程单体分析时，对于带地下室的塔楼进行计算分析时通常采用主楼外伸2~3跨的计算模型 [6] [7] ，对于地下室顶板主楼内外高差部位多是采用将高差加在首层，对整体结构偏安全的模型；为反映工程实际情况(错层1000)建立了外扩地下室错层的参照模型，如图3(a)；图3(b)为分步错层模型，将1000 mm的高差分成两个台阶，每阶下降500 mm；图3(c)为塔楼外围第一跨内斜梁板模型；图3(d)为错层处整体加腋模型。

图3. 地下室顶板平面(阴影范围内为6#楼)

3. 计算结果的分析和讨论

表1中的模型计算结果反映了体系的动力特性以及地震反应特征，本文构建的四个模型前6阶振动周期非常接近，相差不超过1.5%，且四个模型扭转周期比T_t/T₁均为0.74小于规范 [8] 规定的0.9，四个模型的抗扭刚度适中，自振特性且几乎没有区别。地震剪力、地震倾覆弯矩最大值均出现在结构的地下室层，且相差不超过5%。顶点位移情况类似。最大层间位移角出现在结构中部，均满足规范 [9] 规定1/1000的限值。几个模型在整体指标上差别不明显，提取构件内力进一步对比分析。

表1. YJK模型主要计算结果

提取该高层建筑与外围地下室交界处左下角南北走向某一字形剪力墙QY-1的轴力、弯矩、剪力计算值，发现三种构造措施均能有效地减少水平地震对错层处剪力墙的剪力，对弯矩、轴力作用不明显，故进行抗剪承载力复核。

钢筋混凝土剪力墙的受剪承载力可按下式计算：

$V\le \frac{1}{{\gamma }_{RE}}\left[\frac{1}{\lambda -0.5}\left(0.4f_t{b}_w{h}_{w0}+0.1N\frac{A_w}{A}\right)+0.8f_{yh}\frac{A_{sh}}{s}{h}_{w0}\right]$ (1)

式中：N——剪力墙截面轴向力设计值，当N大于 $0.2f_c{b}_w{h}_w$ 时，应取N等于 $0.2f_c{b}_w{h}_w$ ；

A——剪力墙全截面积；

A_w——T形或I形截面剪力墙腹板的面积，矩形截面时应取A；

A_sh——为在水平分布筋间距内的水平分布筋面积(cm²)；

s——剪力墙水平分布钢筋间距；

f_t——混凝土轴心抗位强度设计值；

f_yh——剪力墙水平分布钢筋的抗位强度设计值。

《高规》7.2.6对地震设计状况下剪力墙墙肢截面剪力设计值的规定：

剪跨比λ大于2.5时

$V\le \frac{1}{{\gamma }_{RE}}\left(0.20{\beta }_c{f}_c{b}_w{h}_{w0}\right)$ (2)

剪跨比λ不大于2.5时

$V\le \frac{1}{{\gamma }_{RE}}\left(0.15{\beta }_c{f}_c{b}_w{h}_{w0}\right)$ (3)

剪跨比按下式计算：

$\lambda =M^C/\left(V^C{h}_{w0}\right)$ (4)

式中：V——剪力墙墙肢截面的剪力设计值；

h_w0——剪力墙截面有多高效， $h_{w0}=h_w-{a^{\prime }}_s$ ；

β_c——混凝土强度影响系数，按《高层建筑混凝土技术规程》第6.2.6条采用；

λ——剪跨比，其中M^C、V^C应取同一组合、未经调整的墙肢截面弯矩、剪力计算值，并取墙肢上、下端截面计算剪跨比的较大值；

f_c——混凝土轴心抗压强度设计值；

γ_RE——承载力抗震调整系数，按《混凝土结构技术规范》第11.1.6条采用；

${a^{\prime }}_s$ ——剪力墙受压区端部钢筋合力点到受压区边缘的距离。

剪力墙QY-1墙肢长度h_w为3800 mm，截面有效高度 $h_{w0}=h_w-{a^{\prime }}_s$ 扣除保护层厚度、箍筋直径和纵筋半径为3500 mm。用式(4) 四种构造措施剪跨比λ，计算结果分别为1.54 (错层无构造措施)，1.67 (分步错层构造)，1.48 (斜梁板构造)，1.59 (加腋构造)，均小于2.5。

通过式(1)计算剪力墙QY-3的截面抗剪承载力，γ_RE = 0.85，b_w = 300 mm，f_t = 23.1 N/mm²，f_yh = 360 N/mm²计算出的抗剪承载力为1530.8 kN，通过式(3)计算截面抗剪限制条件V ≤ 3280.3 kN。四种模型下QY-3在组合设计时最大剪力分别为612.9 kN (错层无构造措施)，496.6 kN (分步错层构造)，459.0 kN (斜梁板构造)，602.3 kN (加腋构造)。地下室层剪力墙为底部加强部位，剪力设计值按规范中1.2的剪力增大系数进行调整。

四个模型的剪力计算结果均小于地震作用下的底部剪力墙抗剪承载力设计值和截面抗剪限值。斜梁板构造措施的剪力最小，分步错层其次，加腋构造也能减小剪力墙所受剪力，但效果不明显。

为研究地震作用下剪力墙内的应力分布，提取剪力墙QY-1在1.2 (恒载) + 0.60 (活荷载) + 0.28 (Y向风荷载) + 1.30 (Y向地震作用)组合工况作用下的mises应力云图，见图4。

由图4可以看出Y向地震作用下，错层处无构造措施的剪力墙在与地下室顶板交界处出现应力集中，达到19.27 MPa，最大应力19.97 MPa出现在剪力墙底部；分布错层构造在错层处应力集中不明显，最大mises应力值出现在墙底为18.85 MPa；斜梁板构造措施中，地下室顶板实际上是连续的，并未对剪力墙产生集中应力，其内力分布与分布错层构造措施内力分布类似，最大应力值为18.73 MPa；加腋构造措施与错层处无构造措施的应力云图分布类似，但应力峰值有所降低。

对于整体剪力墙，在水平荷载以及地震作用下，其受力情况类似于一整体的悬臂弯曲杆件。错层处收到由水平地震传递而来的集中力，故在此处产生应力集中；而斜梁板措施将力传递到与室内楼板交接处，规避了错层带来的集中力，故最大应力只出现在剪力墙的底部；分步错层措施情况类似，错层高度的减小对此处水平集中力的传递较为有利。加腋措施将一部分水平应力跨过剪力墙传递到室内地下室顶板，同时令错层部位的剪力墙刚度有所增加，但其受力特点与错层无加强措施的剪力墙无本质区别，故应力分布也较为相似。总体来说应力最大值均出现在剪力墙底部，三种措施均能有效减小地下室顶板错层处剪力墙的最大应力值，斜梁板构造措施效果最佳，分步错层次之，加腋措施效果不明显。

图4. QY-1剪力墙mises应力云图

4. 结论

1) 地下室顶板错层对整体结构的自振特性、内力及变形特征影响很小；地下室顶板具备作为上部结构的嵌固部位的条件。

2) 采用斜梁板构造措施能有效降低水平地震作用下错层处剪力墙的剪力，且室内外交界处的剪力墙应力分布较为均匀，没有产生应力突变。

3) 采用分步错层能够降低剪力墙的剪力，应力分布也较为均匀，但错层处剪力墙的最大剪力值和应力峰值均大于斜梁板措施。

4) 采用加腋构造措施对剪力墙剪力的影响程度较小，应力分布与错层无加强措施的剪力墙基本一致，且存在明显的应力集中，但错层处剪力墙的最大剪力值和应力峰值均有不同程度的降低。

综上所述，三种措施均能有效减小地下室顶板错层处剪力墙的地震反应，斜梁板构造措施效果最佳，分步错层次之，加腋措施效果不明显，可根据实际工程条件选择合适的构造加强措施。

文章引用

聂运启. 高层建筑地下室顶板错层处抗震构造措施分析
Analysis on Seismic Measures of the Staggered Floor of the Basement of High-Rise Buildings[J]. 土木工程, 2019, 08(03): 522-529. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.83061

参考文献