朱海峰， 張紅亞

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230022）

隨著工業(yè)化、城市化的日益發(fā)展和建筑技術(shù)的高速發(fā)展，高層建筑因?yàn)槠涔?jié)約用地和節(jié)省投資等方面的優(yōu)勢(shì)而越來越成為建筑形式的首選。而框－剪結(jié)構(gòu)體系綜合了框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點(diǎn):既可以柱網(wǎng)布置靈活，獲得較大的使用空間，也可以具有較大的側(cè)向剛度，具有很強(qiáng)的抗震能力，有效的減少在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移，避免砌體填充墻及各種設(shè)備在地震中嚴(yán)重破壞。經(jīng)合理設(shè)計(jì)的框－剪結(jié)構(gòu)體系經(jīng)濟(jì)性好，目前被廣泛的應(yīng)用于辦公樓、住宅等高層建筑中。而剪力墻如何合理布置才能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，減小層間位移，成為當(dāng)今學(xué)者不斷探討的問題［1－6］。本文運(yùn)用SAP2000對(duì)不同位置布置剪力墻的多層框剪結(jié)構(gòu)辦公樓進(jìn)行了彈性時(shí)程分析，探討了框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的合理布置方法［7－16］。

1 框架剪力墻對(duì)比設(shè)置方案實(shí)例

1．1 工程實(shí)例

某12層框架——剪力墻結(jié)構(gòu)辦公樓，抗震設(shè)防烈度為8度，II類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震等級(jí)為二級(jí)，安全等級(jí)二級(jí)，特征周期Tg為0．35s，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．2倍重力加速度，辦公樓整體高度44．8m，首層層高4．8m，2層4．0m，3－12層均為3．6m，梁、板、墻、柱均為現(xiàn)澆，混凝土強(qiáng)度等級(jí):梁、柱、墻在1－3層為C40，4－12層為 C30，中、邊柱截面為500×500mm，縱向鋼筋采用 HRB335鋼，箍筋采用HPB235鋼。其中剪力墻1層厚為300mm，2層厚為250mm，3－12層為230mm。

結(jié)構(gòu)中剪力墻具體設(shè)置位置及尺寸見平面圖1，SAP2000建立的實(shí)際工程模型見圖2。

圖1 剪力墻設(shè)置方案I（工程實(shí)例）

1．2 框架剪力墻對(duì)比設(shè)置方案

對(duì)比方案中剪力墻的布置數(shù)量、厚度和材料強(qiáng)度與工程實(shí)況中相同，只是剪力墻的設(shè)置位置發(fā)生了改變。剪力墻具體設(shè)置位置及尺寸見平面圖3、圖4，SAP2000建立的對(duì)比方案模型見圖5、圖6。

2 抗震分析計(jì)算

本工程結(jié)構(gòu)采用SAP2000空間分析軟件進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析，分別對(duì)三個(gè)方案的兩個(gè)主軸X方向和Y方向施加了EL－Centro地震波作用，其中輸入的主分量峰值加速度為3．42m·s－2，阻尼比0．05，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4．3．5條規(guī)定，本工程時(shí)程分析地震加速度最大0．70m·s－2，地震波輸入時(shí)，其加速度比例系數(shù)取0．2進(jìn)行調(diào)整。EL－Centro地震波調(diào)整后的峰值和波形曲線如圖7。

圖3 剪力墻設(shè)置方案二（對(duì)比方案）

圖4 剪力墻設(shè)置方案三（對(duì)比方案）

圖5 對(duì)比方案II結(jié)構(gòu)模型

圖6 對(duì)比方案III結(jié)構(gòu)模型

圖7 EL－Centro地震波波形圖

2．1 X向和Y向在EL－C波作用下方案I和方案II對(duì)比

方案I和方案II的區(qū)別在于其剪力墻的布置位置不同，方案I的兩方向剪力墻均呈L型布置，方案II則兩方向剪力墻分開布置。就方案I與方案II分別輸入水平方向X和Y方向的EL－C地震波，從而得到結(jié)構(gòu)在水平地震作用下各節(jié)點(diǎn)的位移變化情況，圖8分別列舉了兩個(gè)方案頂層梁柱節(jié)點(diǎn)處的UX和UY的位移曲線，列表分析位移變換時(shí)取其絕對(duì)值來觀察結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形。

圖8 方案I、方案II的X和Y方向頂層位移曲線

表1 方案I、II X方向最大樓層位移

表2 方案I、II Y方向最大樓層位移

據(jù)圖8和上表1和表2可以得出，方案I的結(jié)構(gòu)，頂層部位的X方向位移產(chǎn)生最大值，其值為27．18mm；方案II的結(jié)構(gòu)其頂層部位X方向位移發(fā)生最大值，其值為38．73mm，兩個(gè)方案X向位移最大值相差11．55mm。方案I的結(jié)構(gòu)，頂層部位Y方向位移產(chǎn)生最大值，其值為23．56mm；方案II的結(jié)構(gòu)其頂層部位Y方向位移發(fā)生最大值，其值為39．17mm，兩個(gè)方案Y方向位移最大值相差15．61mm。

圖9 方案I和方案II X向?qū)娱g位移角曲線

圖10 方案I和方案II Y向?qū)娱g位移角曲線

由圖9和圖10可以得出方案IX方向的最大層間位移角為1／1412；方案IIX方向的最大層間位移角為1／933；方案IY方向的最大層間位移角為1／1520；方案IIY方向的最大層間位移角為1／901；

因而從分析中可以發(fā)現(xiàn):方案II的結(jié)構(gòu)位移X和Y方向均明顯大于方案I的位移；兩者X和Y方向最大位移角滿足規(guī)范的限制，均不超過框剪結(jié)構(gòu)的限制值1／800，但方案II的X和Y方向的層間位移角依然明顯大于方案I的層間位移角。所以，方案I的抗震性能明顯好于方案II的抗震性能，剪力墻均勻分散布置在結(jié)構(gòu)的主要軸線上，在結(jié)構(gòu)中形成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，提高了剪力墻的剛度，減小了層間位移和位移角。

2．2 X向和Y向在EL－C波作用下方案I和方案III對(duì)比

方案I和方案III的區(qū)別在于方案IY方向的剪力墻均勻分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)的四周且均勻分布在結(jié)構(gòu)的四榀框架，而方案IIIY方向剪力墻則集中布置在整個(gè)結(jié)構(gòu)的第二榀和第八榀。就方案I與方案III分別輸入水平方向Y向和X向的EL－C地震波，從而得到結(jié)構(gòu)在水平地震作用下各節(jié)點(diǎn)的位移變化情況，圖11分別列舉了方案I和方案III頂層梁柱節(jié)點(diǎn)處的UX和UY的位移曲線，列表分析位移變換時(shí)取其絕對(duì)值來觀察結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變形。

圖11 方案I、方案III的X和Y方向頂層位移曲線

表3 方案I、III X方向最大樓層位移

表4 方案I、III Y方向最大樓層位移

據(jù)圖11和表3和表4可以得出，方案I的結(jié)構(gòu)，頂層部位的X方向位移產(chǎn)生最大值，其值為27．18mm；方案II的結(jié)構(gòu)其頂層部位X方向位移發(fā)生最大值，其值為32．22mm，兩個(gè)方案X向位移最大值相差5．04mm。方案I的結(jié)構(gòu)，頂層部位Y方向位移產(chǎn)生最大值，其值為23．56mm；方案II的結(jié)構(gòu)其頂層部位Y方向位移發(fā)生最大值，其值為27．63mm，兩個(gè)方案Y方向位移最大值相差4．07mm。

圖12 方案I和方案III X向?qū)娱g位移角曲線

圖13 方案I和方案III Y向?qū)娱g位移角曲線

由圖12和圖13得出方案IX方向的最大層間位移角為1／1412；方案IIIX方向的最大層間位移角為1／1124；方案IY方向的最大層間位移角為1／1520；方案IIIY方向的最大層間位移角為1／1440；

因而從分析中可以發(fā)現(xiàn):方案III的結(jié)構(gòu)位移X和Y方向均大于方案I的位移；兩者X和Y方向最大位移角滿足規(guī)范的限制，均不超過框剪結(jié)構(gòu)的限制值1／800，方案III的X和Y方向的層間位移角均大于方案I的層間位移角，但在Y向兩者相差不大。所以，方案I的抗震性能明顯好于方案III的抗震性能，將縱橫向相鄰剪力墻連接在一起，形成L型，提高了剪力墻的剛度和抗扭能力，減小了層間位移和位移角。

3 結(jié) 論

（1）本文主要以規(guī)則框架－剪力墻結(jié)構(gòu)為例說明:剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻結(jié)構(gòu)中全部豎向荷載和水平力都主要由鋼筋混凝土墻承受，若結(jié)構(gòu)中剪力墻布置不對(duì)稱、集中、不分散，都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度中心和平面形心相差較遠(yuǎn)從而影響結(jié)構(gòu)的抗震能力。

（2）剪力墻應(yīng)均勻、對(duì)稱并且盡可能分散的布置在結(jié)構(gòu)的主要軸線上，從而在結(jié)構(gòu)中形成雙向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)移剛度；

（3）縱橫向相鄰剪力墻宜連接在一起，形成L型T型或口型等，增大剪力墻的剛度和抗扭能力，從而在不增加剪力墻數(shù)量和厚度的前提下提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

（4）若結(jié)構(gòu)為不規(guī)則框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在平面形狀凹凸較大結(jié)構(gòu)中，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻；在樓電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位均勻的布置剪力墻，且盡量與靠近的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)結(jié)合，不宜孤立地布置在單片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)或柱網(wǎng)以外的中間部分；當(dāng)剪力墻不能延建筑物全高貫通時(shí)，相鄰樓層剛度的減弱不宜大于30%。

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

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

3 GB 50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

4 郭任?。邔咏ㄖ蚣芗袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

5 傅學(xué)怡．實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．第2版．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

6 B．S．Smith and A．Coull．Tall Building Structures:Analysis and Design，JohnWiley ＆Sons，Inc．2008．

7 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院．SAP2000中文版使用指南［M］．北京:人民交通出版社，2010．

8 慕 欣，框－剪結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，17（4）:21－23．

9 郭余鎖，楊曉明，王俊義．地震作用下高層框架－剪力墻與框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析［J］，建筑科學(xué)，2010，（S2）；12－15．

10 ASCE／SEC41－46Seismic Rehabilit ation of Existing Buildings［S］．USA:American Society of Civil Engineers，2007．