第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 7度区超限高层框筒结构受拉墙体抗震性能分析 焦柯，陈星，吴桂广，贾苏，欧韬 （广东省建筑设计研究院.
广州510010） 摘要：针对7度区12栋超限高层框筒结构进行中震下主要墙肢拉应力比统计，最大拉应力比在1.0-2.5之间，在结构 设计可控范围内.
当高层结构中震计算结果不满足剪重比、刚度比等要求时，计算软件自动根据规范要求放大楼层地震 力，会导致较大的轴向拉力，建议采用未经放大的标准组合拉应力判断受拉程度.
对核心筒偏置的超限结构进行抗震性 能分析，发现拉应力较大的墙股在大震作用下出现拉剪或拉弯破坏，不满足抗震性能目标C要求：根据剪力墙拉应力配 置型钢后，改善了结构底部剪力墙的抗震性能，墙肢未出现剪切破坏和拉弯屈服，满足抗震性能目标C要求.
进一步的 精细有限元分析表明，加型钢后受拉剪力墙的抗拉和抗剪能力明显提高.
当中震作用下超高层结构的底部剪力境拉应力 比超过2.0时，可通过加型钢或钢板来满足抗震性能要求，但型钢或钢板截面面积应适当加大.
关键词：超限高层建筑，框筒结构，受拉墙体，抗震性能 1前言 根据7度区12栋超高层结构的统计，在双向地震作用下底部剪力墙容易产生拉力，使墙肢出现小偏 心受拉.
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第7.2.4条，抗震设计的双肢剪力墙，其墙肢 不宜出现小偏心受拉：当任一墙肢为偏心受拉时，另一墙肢的弯矩设计值及剪力设计值应乘以增大系数 1.25.
在高层结构设计中，工程师一般避免出现受拉墙体，尽量调整不出现较大拉力，由于超高层结构高 宽比较大，有时无法消除中震受拉墙肢出现，需要通过进行细致的抗震性能分析，以保证关键构件在大震 下不损伤或损伤较小.
在中震作用下底部剪力墙拉应力大于tk时，目前常规的处理办法是在剪力墙内埋 置型钢或刚板来承受中震产生的拉力.
在大震作用下这些剪力墙受拉会更严重，通过在剪力墙内埋置型钢 能否满足结构构件的抗震性能要求，特别是在底部剪力墙拉应力大于2*tk时加型钢是否可行目前尚无共 析其在大震作用下的抗震性能.
212栋超高层框筒结构受拉统计 表1为7度区12个工程的基本信息和主要墙肢拉应力比，本文中墙肢拉应力比定义为根据中震反应 谱法计算得到的墙肢最大拉力与墙肢有效面积和混凝土抗拉强度标准值乘积之比.根据对表1中12个工程 的分析，得到以下分析结论： （1）12个工程的主要剪力墙最大拉应力比在1.02.5之间（除琶洲AH041006地块外），最大拉应力 比大小与结构的高宽比和核心筒高宽比的大小没有必然关系.
琶洲AH041006地块的主要剪力墙最大拉应力 比高达3.9，明显大于其他工程的剪力墙最大拉应力比，原因是琶洲AH041006地块的核心筒偏置（见图2）.
可见在7度区，若核心筒布置在楼层平面中部，墙体的受拉作用并不严重.
作者简介：焦柯（1968--），男，硕土，教授组高工
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 （2）通过对12个实际工程的受拉情况进行统计发现，当最大拉应力比小于1.0时，拉应力比超0.5 的剪力墙分布在12层，也就是底部加强部位，由于该部位较好的延性和强度，因此间题不大.
当部分剪 力墙拉应力比大于2时，剪力墙拉应力比超1.0的墙肢分布在15层，即底部加强区及向上延伸1~2层.
除上述部位，在竖向刚度突变位置也会出现较大拉力.
当墙肢处于明显受拉状态，其抗剪、抗弯能力大大 下降，因此对拉应力比较大的墙肢设计中应特别关注.
（3）由于中震不屈服设计中软件计算的剪力墙最大拉力，已包括了因为结构不满足规范对剪重比、 刚度比等的要求所进行的楼层地震力放大，譬如表1中琶洲AH041006地块不满足刚度比要求，楼层地震力 放大系数1.25，不满足剪重比要求，放大系数1.09，按放大后的组合内力计算墙肢拉应力比3.9，若按不 放大标准组合内力计算拉应力比2.8，拉力人为放大了39%.
在大震作用下，剪力墙的轴力组合工况为1.0 恒载0.5活载1.0地震，剪力墙的轴力没有其他放大系数，因此中震受拉墙体在大震下拉应力不一定很大.
故在中震计算时，用不考虑地震力放大的标准组合内力计算剪力墙的最大拉力更合理.
表1结构基本信息 结构体系 高度(m） 层数 高宽比 核心筒尺寸 简高宽比 最大拉应力 比/ftk 珠江新城F2-4地块 框架-核心筒 280. 0 55 6. 1 19.2*21. 2 14.5 1.5 珠江新城D3-2地块 框架-剪力墙 157. 0 36 4. 4 12.8*18. 0 12.3 1. 5 琶洲AH041006地块 框架-核心筒 160.0 37 7.1 11. 0*24. 0 14.5 3. 9 粤电中心 框支-剪力墙 154. 0 33 5.0 11. 4*22. 6 13.5 1. 4 德国中心 框架-核心筒 239. 4 58 6.0 20. 6*23. 0 11.6 1. 1 广州金融城007地块 框架-核心筒 172. 0 40 5.0 12. 1*37. 5 14.2 2. 2 广州金融城005地块 框架-核心筒 174. 6 43 5.2 10. 5*42. 0 广州华南国际港航中心 16.6 1. 9 框架-核心筒 248. 5 52 5.9 21. 6*21. 6 11.5 1. 0 广州金融城绿地中心 框架-核心筒 175. 2 40 4.8 12. 3*38.1 14.2 2.2 广州城际中心 框架-核心筒 172. 4 39 5.0 13. 9*30. 7 12. 4 1. 7 沈阳华强1栋 钢框架-核心简 299. 7 70 8.4 24.5*24. 5 12.2 2.5 沈阳华强3栋 框架-双核心简 183. 3 53 6.9 8.9*17. 7 20.6 1. 4 3某超高层框筒结构抗震性能计算 3.1计算模型 琶洲AH041006地块采用框架-核心筒体系，1-4层采用型钢混凝土柱，5层及以上采用普通钢筋混凝土 柱，剪力墙厚度从底部800mm收至顶部500mm，剪力墙和柱混凝土强度C60，型钢强度Q345，标准层平面 核心筒偏置，三维计算模型和结构布置示意分别见图1和图2所示.
经中震计算，图2中标注墙号位置的 墙肢拉应力较大，通过在墙内加型钢提高抗拉性能，表2给出了首层剪力墙拉力和所加单根型钢截面积.
W1W2 W3W4 TAZI 图1三维计算模型 图2首层平面示意图
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 表2首层剪力墙拉力和型钢面积 墙肤编号 拉力（kN） 抗拉配筋面积（mm2） 暗柱钢筋面积（mm2） 型钢面积（mm2）拉应力比/ftk V1 10811 7056 31337 3.2 V2 5401 15657 7056 7829 2.5 V3 16658 48285 7056 16095 2.4 V4 16871 48903 7056 24451 2.8 3.2计算假设和地震波输入 采用PERFORM-3D软件计算.
计算模型不考虑楼板对梁的刚度贡献，连梁刚度不折减：暗柱钢筋采用 箱型钢柱模拟：无大开洞楼板的楼层采用刚性板假设：出现剪切破坏的剪力墙剪力占本楼层总剪力的20% 以上时，认为结构整体出现剪切破坏.
首先施加初始荷载，初始荷载取1.0D（恒载）0.5L（活载），然后施加地震波.
大震作用的峰值加速 度取220cm/s.计算采用的地震波限于篇幅这里略去.
3.3中震和大震的主要结果 （1）基底剪力和位移角 中震和大震下计算构件内力组合工况取1.0恒载0.5活载1.0地震，其中中震为反应谱法的计算结果， 大震为动力弹塑性时程法的计算结果，见表3.
大震作用下结构最大层间位移角为1/109，满足《高层建筑 混凝土结构技术规程》限值1/100要求.
表3基底最大剪力和层间位移角 最大基底剪力（kN） 最大层间位移角 中震 31027 1/340 大震 55362 1/109 （2）构件性能评价 本工程性能目标定为C，根据表4可见，由于在大震作用下底部加强区剪力墙出现拉弯屈服和剪切破 坏，结构不能满足性能C的抗震性能要求.
表4构件性能评价 构件 中震性能要求 中震计算结 大震性能要求 （性能C） 果 （性能C） 大震计算结果 验算情况 底部加强区 抗弯不屈服， 未出现超筋 抗弯、抗剪不屈服 首层部分剪力墙拉弯屈服：个 中震满足， 力墙 抗剪弹性 别剪力墙剪切破坏 大震不满足 非成部加强区 抗弯不屈服， 未出现超筋 抗弯、抗剪不屈服 剪力墙未出现屈服，均满足最 剪力墙 抗剪弹性 小抗剪截面验算 满足 框架柱 抗弯不屈服，抗剪 未出现超筋 部分屈服：受剪满足 部分框架柱出现屈服，满足抗 弹性 截面限制条件 剪截面验算 满足 抗弯允许部分屈 允许大部分构件抗 框架梁 服，抗剪不屈服 未出现超筋 弯屈服，受剪满足截 大部分屈服 满足 面限制条件 抗弯允许部分屈 个别连梁出 允许大部分构件抗 连梁 服，抗剪不屈服 现抗弯届服 弯屈服，受剪满足截 大部分屈服 满足 抗剪不屈服 面限制条件 3.4受拉墙的性能分析 以下计算结果中，模型1为图2中受拉墙肢布置分布钢筋和暗柱钢筋、模型2为布置分布钢筋、暗柱 钢筋和型钢、模型3为布置分布钢筋、暗柱钢筋和两倍面积型钢.
（1）墙加型钢对剪力和位移角的影响
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 三种计算模型的中上部楼层的剪力和层间位移角基本一样.
从表5可知，在加型钢后基底剪力增大， 型钢越多最大基底剪力越大，最大层间位移角基本不变.
表5最大基底剪力和层间位移角 基底剪力（kN） 层间位移角 模型1 55362 1/109 模型2 57110 1/108 模型3 59855 1/108 （2）墙肢W4内力分析 图3为墙肢W4在中震反应谱计算的各层最大拉力与大震弹塑性时程分析底部出现最大拉力时刻 （12.48s）的轴力、弯矩、剪力对比.
中震反应谱计算的首层最大拉力16871kN，最大剪力为3045kN，最 大弯矩为-8228kN.m.
大震下弹塑性时程在12.48s时刻首层最大拉力12600kN，最大剪力1177kN，最大 弯矩为-344kN.m.
大震下剪力墙最大拉力小于中震反应谱结果，说明中震反应谱法考虑剪重比、刚度比等 的要求所进行的楼层地震力放大，高估了剪力墙拉力.
在大震最大拉力时刻（拉应力比2.1），此时弯矩较 小，剪力并不小，剪力墙容易出现剪切破坏.
大震下中上部楼层的墙肢W4处于受压状态，虽然弯矩较底部 大，由于受压墙的抗剪、抗弯能力都比受拉墙高的多，因此不易屈服.
一大地力 *力 -大期 中 I5 -大民力 1 (a) 贵力 (in) (D) 非 (n) 4308 6000 图3中震和大震下墙肢W4内力比较 （3）暗柱应变分析 0000 : otoed 10020 0010 0:0000 23 15 时间s 图4AZ1暗柱钢筋应变时程曲线 暗柱位置见图2所示.
从图4AZ1暗柱钢筋应变时程曲线可知，首层暗柱的拉应变超出屈服应变，受 拉屈服：根据中震拉力加型钢后，暗柱拉应变仍处于IO状态：当加2倍的型钢后，暗柱钢筋处于弹性状
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 态，没有出现屈服.
加型钢对暗柱的拉应变影响较大，根据中震抗拉加型钢时，暗柱钢筋峰值拉应变减小 约30%，加2倍型钢时，暗柱钢筋峰值拉应变减小约50%.
同时发现，加型钢对暗柱钢筋的峰值压应变影 响较小.
（4）受拉墙加型钢性能比较 分别对三个模型进行大震分析，比较受拉墙体的性能： 1）无型钢时，首层部分剪力墙出现拉弯屈服，个别剪力墙出现剪切破坏.
部分暗柱钢筋受拉屈服，处 于IO状态，底部个别剪力墙出现轻度损伤，不满足性能C要求.
2）根据中震拉应力加型钢时，结构底部剪力墙未出现剪切破坏，也未出现拉弯屈服，个别暗柱钢筋 受拉屈服，处于IO状态，仍不满足性能C要求.
3）根据中震拉应力加2倍型钢时，结构底部剪力墙未出现剪切破坏，也未出现拉弯屈服，暗柱钢筋 未出现屈服，底部个别剪力墙出现轻度损伤，满足性能C要求.
4）墙肢中加型钢对内力分布也有影响.
加型钢的墙肢承担的拉力增大，其周围未加型钢的墙肢拉力 减小，减小幅度在10%-20%之间，同时这些位置的压应变增大了.
4受拉剪力墙有限元分析 取图2所示的首层4墙肢进行分析，首层层高6m，剪力墙厚700mm，长3000mm，水平和竖向分布钢 筋配筋率0.6%，暗柱钢筋面积7056mm2，单根型钢面积24451mm2.
采用ABAQUS计算的整体模型如图5~ 图7所示，剪力墙底部位移约束.
L L. 图5混凝土模型 图6型钢模型 图7钢筋整体模型 根据3.4节将剪力墙分三种计算模型，有限元计算所用内力从整体模型摘取，取剪力墙承受最大拉力 时刻的内力，内力值见表6.
从表中可见，配置型钢越多，剪力墙所受的拉力越大.
表6剪力墙W4计算模型的内力 轴拉力（kN） 剪力（kN) 弯矩（kN*m） 模型1 12600 1177 344 模型2 22640 1650 370 模型3 31417 1899 347 （1）模型1结果 在加载轴拉力后，剪力墙受拉破坏明显，纵向受拉钢筋屈服并进入强化阶段，墙体破坏形态为受拉破 坏.
钢筋最大MISES应力500MPa.剪力墙破坏后不能再承受任何剪力、弯矩.
图8为模型1钢筋Mises应 力.
（2）模型2结果 在全部荷载加载完毕后，剪力墙暗柱区钢筋受拉屈服，但仍继续承受剪力和弯矩.
除加载区域附近外，
