1、 平西府車輛段與綜合基地復雜剪力墻結構抗震設計肖信文，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構設計情況，針對工程Y向剪力墻豎向抗側力構件不連續，采用了基于性能的抗震設計；并對結構進行多模型、多軟件的反應譜和時程分析，以及局部構件的補充驗算。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措施。計算結果表明結構的工作狀態和性能均能達到設計的預期性能目標和規范要求。關鍵詞鋼板剪力墻；時程分析法；抗震性能設計；豎向不連續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。為了同時滿足軌道交通、車站人流、商業住宅功能需求，并充分利用土地，這些建筑多采用大底盤多塔結構體系（如建于2000年北京通惠家園住宅小區項目，此住宅位于北京地鐵四惠站），其抗震設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。下面著重介紹該結構體系的設計目標、技術難點和計算分析結果。 ( 作者簡介：肖信文，1979- 結構工程師，)結構設計參數平西府車輛段與綜合基地工程E-F區的底部為兩層框架大底盤結構，首層層高9.4m，二層層高4.5m，主要柱網尺寸為15.9m7.2m，12.6m8.6m。大底盤上為23層剪力墻結構，室外地坪至檐口總高度為79.4m。標準層層高2.8m。結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，工程抗震設防烈度為8度（0.2g），類場地，根據勘察報告，場地特征周期為0.45s，地震影響系數max=0.16；基本風壓為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

7、首層平面布置圖（b） 剖面圖圖2 F區首層平面及剖面圖設計目標和技術難點3.1 工程的復雜性平西府車輛段與綜合基地工程E-F區設計的主要技術困難在于其大底盤首層頂9.4m標高以下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方向是剪力墻結構，Y方向是框支轉換結構體系，此種結構形式X向(縱向)剛度連續，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構體系。其Y向結構如圖3所示，為保證豎向構件連續，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，該結構尚存在以下超限內容：1）由于首層與二層層高相差懸殊，雖為剪力墻結構，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，在地震作用下扭轉位移比比較大；3）由于本工程沒有地下室，雖然基礎埋深滿足規范要求并采用了樁基礎，但還需按彈塑性大震作用抗傾覆驗算。綜上所述本工程結構具有一定程度的不規則性和復雜性，設計中需要采取相應的加強措施。圖3 Y向墻體一三層開洞示意3.2 結構抗震設計性能目標結構設計在常規的三水準抗震性能目標的基礎上，補充以下性能目標：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計；2、按彈塑性的大震作用抗傾覆驗算。計算分析方法和結果4.1 計算分析方法為保證計算結果的合理性，分別采用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部編制的SATWE（2005版）和Computer&Structures，Inc編制的ETABS中文版（V9.7版）兩種不同的力學模型的三維空間結構有限元分析軟件進行整體計算，分析比較；小震計算時采用“安評報告”提供的地震動參數；中震、大震計算時采用規范提供的地震動參數。由于工程受力比較特殊，故本工程還補充了彈性時程分析。4.2模態分析結果模態分析得到的結構周期見表1。結構周期比較表

10、1項目SATWEETABS結構基本自振周期（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0.576扭轉T40.3826Y向0.408Y向T50.3254扭轉0.327扭轉T60.2640X向0.248Y向從模態分析得到的周期結果可知兩種程序計算得到的周期相近，震動特性一致，第一扭轉周期與第一平動周期之比滿足規范要求。4.3 振型分解反應譜法和彈性時程分析結果小震作用下根據震型分解反應譜計算得到的彈性分析結果見表-2彈性計算結果比較表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，地震波的持續時間均大于結構基本自振周期（1.13s）的5倍，時間間隔為0.02s，滿足規范的要求。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向時程反應譜Y向時程反應譜結論反應譜法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譜計算的樓層剪力雖有相差，但平均值很接近；結構底部剪力大于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，均滿足規范的要求。從X，Y向剪力對比圖中可知，反應譜計算得到的樓層剪力和時程計算的樓層剪力

13、很相近，設計時可按反應譜的結果設計。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%的地震動參數大于規范值，故按規范進行大震效應計算。計算時，剪力按大震的標準組合，材料強度按標準值進行驗算，抗震承載力調整系數均取1.0，水平地震影響系數max=0.9，峰值加速度取400cm/s2 ,計算模型考慮部分構件進入塑性，結構阻尼比增大至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，進行了考慮彈塑性時大震抗傾覆驗算。驗算結果表明，在考慮樁23%的特征值拉力時滿足設計要求。 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。驗算結果表明，小震下的計算結果滿足設計要求，樁不受拉；中震計算結果滿足要求，樁不受拉；大震結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換梁，結構整體抗震計算時梁剛度不折減。考慮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方向單工況應力圖見圖5 圖5 應力圖（單位：MPa）從圖5可知，首層及以上各層連梁兩端應力較大，在大震作用下連梁兩端會出現塑性絞；首層連梁兩端下部存在較大應力，為使首層連

15、梁在大震下不出現塑性絞，連梁按拉彎構件設計，設計時考慮連梁底部設置型鋼與墻墩中的型鋼連接，增加首層的整體剛度。關鍵截面設計和構造措施 首層的Y向墻墩為本工程的關鍵部位，混凝土強度等級為C50,鋼板強度等級為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，因此在墻肢內增設型鋼及鋼板， 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的混凝土墻進行整體結構抗震計算。圖6 構件大樣圖由于型鋼混凝土組合結構技術規程及鋼骨混凝土結構技術規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研究院有關研究成果。計算思路如下，按照下列公式先計算出型鋼及鋼板承擔的地震剪力，剩余部分地震剪力由混凝土部分承擔，通過調整型鋼、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，大震下結構整體計算內力分析時考慮阻尼

17、比取0.07。鋼板混凝土組合剪力墻構造由于首層層高較高，首二層的剛度比為0.53，并且豎向構件不連續，因此在首二層設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力較大，縱筋較多，并且考慮墻墩和裙房轉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。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圖結論上述計算分析表明，報告中所采用結構方案能夠滿足性能目標：（1）首層主樓Y向剪力墻墻墩設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向設置剪力墻，減少大底盤裙房角柱及邊柱的位移，使考慮扭轉的位移比滿足規范要求。（3）大震下結構整體抗傾覆驗算結果表明，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。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設置型鋼，提高了構件的承載力和延性。結構構件在按性能目標進行截面設計和鋼筋、鋼骨配置并采取適當的構造措施后，建筑可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防要求。致