尹永青

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

0 引言

剪力墻的水平剛度大，在風(fēng)荷載或者小震作用下較容易防止高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移導(dǎo)致的剪切破壞，它是主要的抗風(fēng)抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件，控制好剪力墻結(jié)構(gòu)的水平位移和地震力這兩個(gè)因素，便可以合理的布置剪力墻的位置和數(shù)量。

SATWE是為高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。本文分析運(yùn)用它實(shí)現(xiàn)了剪力墻與樓板的模型，使高層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化分析模型盡可能的使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更真實(shí)。

1 剪力墻實(shí)例設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

本文所依據(jù)工程為山西省太原市某大型住宅小區(qū)33層純剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓?？偨ㄖ娣e約27 143.4 m2，建筑層高3.0 m，室內(nèi)外高差0.45 m，建筑高度99.45 m。為比較剪力墻布置方式對(duì)主體結(jié)構(gòu)性能的影響，擬定兩個(gè)方案，方案一:剪力墻上開(kāi)洞的大小按照建筑圖的洞口布置來(lái)建立模型，即飄窗處設(shè)高連梁(部分位置按照施工要求設(shè)置構(gòu)造洞口，從而方便施工，如在兩個(gè)分戶(hù)單元山墻上開(kāi)洞);方案二:在方案一中墻肢很長(zhǎng)剪力墻上開(kāi)設(shè)尺寸較大的結(jié)構(gòu)洞，如把一字形的截面改為L(zhǎng)形或T形截面，將飄窗處的窗臺(tái)改為加氣混凝土砌塊。計(jì)算開(kāi)始之前，應(yīng)根據(jù)規(guī)范選取正確的參數(shù)設(shè)置正確的特殊構(gòu)件，如振型組合數(shù)，最大地震力作用方向，結(jié)構(gòu)基本周期，周期折減系數(shù)，連梁剛度折減系數(shù)，框架梁剛度放大系數(shù)，偶然偏心等的參數(shù)。規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)常用:剛重比和位移比，以及剪重比與周期比、相鄰層間剛度突變等。通過(guò)幾項(xiàng)主要指標(biāo)相比，分析出兩個(gè)方案不同的剪力墻平面布置方式對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力性能的影響。

進(jìn)一步研究了在不同設(shè)防烈度區(qū)，相同的剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)規(guī)律，分別計(jì)算在6度和8度區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)，隨著地震烈度的增大，剪力墻所受的地震作用也隨之增大，但高烈度地區(qū)的地震影響作用比低烈度地區(qū)的地震影響作用增大很多，因此在地震作用下位移和位移角也隨之變大。兩方案在6度區(qū)時(shí)整體主要技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，兩種方案的差別不大，都比較理想。但相對(duì)而言，方案二比方案一的技術(shù)指標(biāo)更為合理。在8度這樣的高設(shè)防烈度地區(qū)時(shí)，方案一較方案二更容易滿(mǎn)足位移比的要求。

綜合以上兩方案設(shè)計(jì)分析對(duì)比，得出剪力墻的平面布置方法和開(kāi)洞的方法對(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力性能和造價(jià)有較明顯的影響，其主要表現(xiàn)在以下三點(diǎn):

1)動(dòng)力特性方面。

結(jié)構(gòu)的整體剛度較小時(shí)，方案的第一平動(dòng)周期明顯變大，平動(dòng)周期與扭轉(zhuǎn)周期之比變化不明顯。方案一中第一平動(dòng)周期與第一扭轉(zhuǎn)周期值的比值均小于0.9。方案二通過(guò)在剪力墻上增大原有洞口或開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)洞，使結(jié)構(gòu)剛度變?nèi)?，從而增長(zhǎng)了周期，說(shuō)明結(jié)構(gòu)布置更加合理。

2)結(jié)構(gòu)受力方面。

方案二結(jié)構(gòu)所受的剪力和基底彎矩都小于方案一。因此減小結(jié)構(gòu)剛度，使結(jié)構(gòu)周期變長(zhǎng)，從而有效地減少了地震力。

3)結(jié)構(gòu)變形方面。

兩方案中結(jié)構(gòu)的位移變形指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范中相應(yīng)要求。在6度設(shè)防時(shí)，方案二的最大層間位移角比方案一有明顯改進(jìn)。但最大變形均發(fā)生在荷載工況為風(fēng)載作用時(shí)，說(shuō)明6度區(qū)時(shí)高層建筑的層間位移主要由風(fēng)荷載控制，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將風(fēng)荷載作為最首要影響因素考慮。隨著地震烈度的提高，結(jié)構(gòu)所受的地震作用也隨之增大。地震作用超過(guò)風(fēng)荷載作用從而成為主要影響因素。因此在8度區(qū)時(shí)方案一的層間位移比方案二更容易滿(mǎn)足規(guī)范的要求，且采用方案一時(shí)剪力墻的數(shù)量還可能進(jìn)一步減少，以充分發(fā)揮建筑的空間性能的要求。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)其他問(wèn)題

剪力墻作為主要的水平抗震構(gòu)件，它的平面剛度大，平面尺寸較小，在設(shè)計(jì)中容易滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)尤其是高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移限制和使用功能的要求，但隨著結(jié)構(gòu)的水平剛度增大，剪力墻承受的地震水平力也隨之增大;經(jīng)研究機(jī)構(gòu)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明，在有橫向鋼筋約束的剪力墻結(jié)構(gòu)中，可增強(qiáng)剪力墻的延性。通過(guò)合理的設(shè)置邊緣構(gòu)件的配筋范圍、配箍量以及配筋形式可以做到相比不設(shè)置邊緣構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)的耗能能力可提高約20%，極限承載力可提高約40%。另外，轉(zhuǎn)角窗的設(shè)置會(huì)使得剪力墻的抗側(cè)力剛度、自振周期、地震作用以及結(jié)構(gòu)的整體受力性能均有一定的削弱，同時(shí)，其外墻內(nèi)力明顯增大;因此盡量避免設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，如設(shè)置時(shí)應(yīng)采取一定的加強(qiáng)措施，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采取的措施有:1)將轉(zhuǎn)角窗處的樓板厚加為120 mm，且雙層雙向配筋;2)轉(zhuǎn)角窗處從底到頂設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。開(kāi)洞截面高度及連梁跨度的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的整體影響比較明顯，不容忽視，在工程實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況，調(diào)整連梁的跨高比，使設(shè)計(jì)盡可能優(yōu)化，符合規(guī)范要求。

3 結(jié)論及建議

1)高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，平面形狀上力求規(guī)則、對(duì)稱(chēng)、避免凸凹不規(guī)則，滿(mǎn)足抗震規(guī)范的要求;縱向剛度盡量做到連續(xù)，避免層間豎向構(gòu)件不連續(xù)，盡可能保證良好的抗震性能。2)通過(guò)兩方案結(jié)構(gòu)受力情況的比較得出，兩方案均有比較好的剛度，在風(fēng)荷載或者地震作用下不產(chǎn)生較大的水平位移，通過(guò)合理布置墻體，使結(jié)構(gòu)受力更加安全、合理。3)當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大時(shí)，通過(guò)減少局部的一般剪力墻或開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)洞等措施，可有效減小兩個(gè)方向的剛度，從而減少水平構(gòu)件所受的地震力，達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的較好統(tǒng)一。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］王法武，唐 敢，楊 杰.高層框架及剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)建筑，2006(13)：56-58.

［4］王 濤.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［5］胥 震.淺談高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.四川建材，2013(53)：23-25.

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