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        談高層住宅樓剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2015-10-21 17:50吳獻強
        房地產(chǎn)導刊 2015年10期
        關(guān)鍵詞:剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析高層建筑

        吳獻強

        【摘要】作者以工程實例為例,運用SATWE建立計算模型,對高層住宅剪力墻的結(jié)構(gòu)力學性能計算的各項指標進行了分析、比較,得到較為符合實際的動力性能和結(jié)構(gòu)布置,且通過整體分析,探究了影響剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要因素,并對剪力墻的約束邊緣構(gòu)件部分設(shè)計中常出現(xiàn)的問題進行了總結(jié)。

        【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu);高層建筑;結(jié)構(gòu)分析;SATWE 有限元軟件

        引 言

        剪力墻的水平剛度大,在風荷載或者小震作用下較容易防止高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移導致的剪切破壞,它是主要的抗風抗震結(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)計而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。本文分析運用它實現(xiàn)了剪力墻與樓板的模型,使高層結(jié)構(gòu)的簡化分析模型盡可能的使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更真實。

        1 剪力墻設(shè)計概念

        1)剪力墻高和截面高度尺寸較大但截面厚度較小,幾何特征像板,受力形態(tài)接近于柱,而與柱的區(qū)別主要是其截面高度與厚度的比值,當比值小于或等于3時宜按框架柱進行截面設(shè)計,當墻肢截面高度與厚度之比在2~4時可視為異形柱,按雙向受壓構(gòu)件設(shè)計,當墻肢截面高度與厚度之比在5~8時為短肢剪力墻,當墻肢截面高度與厚度之比大于8時為一般剪力墻。

        2)剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻除承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外,還承擔豎向壓力;在軸力、彎矩、剪力的復合狀態(tài)下工作,其受水平力作用下似底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除需滿足剛度強度要求外,還必須滿足非彈性變形反復循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求:墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞,因此注意盡量將剪力墻設(shè)計成延性彎曲型。

        3)實際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻,整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結(jié)構(gòu)片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂,當剪力墻墻肢較長時,在力作用下法向應力呈線性分布,破壞形態(tài)似偏心受壓柱,配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端;為防止剪切破壞,提高延性應將底部截面的組合設(shè)計內(nèi)力適當提高或加大配筋率;為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長,以防止截面應力相差過大。聯(lián)肢墻是由連梁連接起來的剪力墻,但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多,墻肢單獨作用顯著,連梁中部出現(xiàn)反彎點要注意墻肢軸壓比限值。壁式框架:當剪力墻開洞過大時形成寬梁、寬柱組成的短墻肢,構(gòu)件形成兩端帶有剛域的變截面桿件,在內(nèi)力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點,墻已類似框架的受力特點,因此計算和構(gòu)造應按近似框架結(jié)構(gòu)考慮。

        2 剪力墻實例設(shè)計及計算分析

        文章依據(jù)某住宅小區(qū)33 層純剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓??偨ㄖ娣e約27143.4 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主體結(jié)構(gòu)性能的影響,擬定兩個方案,方案一: 剪力墻上開洞的大小按照建筑圖的洞口布置來建立模型,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,如在兩個分戶單元山墻上開洞) ; 方案二: 在方案一中墻肢很長剪力墻上開設(shè)尺寸較大的結(jié)構(gòu)洞,如把一字形的截面改為L 形或T 形截面,將飄窗處的窗臺改為加氣混凝土砌塊。

        計算開始之前,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。通過幾項主要指標相比,分析出兩個方案不同的剪力墻平面布置方式對整體結(jié)構(gòu)的受力性能的影響。

        進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)在地震作用下反應規(guī)律,分別計算在6 度和8 度區(qū)結(jié)構(gòu)對地震的反應,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)時整體主要技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求,兩種方案的差別不大,都比較理想。但相對而言,方案二比方案一的技術(shù)指標更為合理。在8 度這樣的高設(shè)防烈度地區(qū)時,方案一較方案二更容易滿足位移比的要求。

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

        1) 動力特性方面

        結(jié)構(gòu)的整體剛度較小時,方案的第一平動周期明顯變大,平動周期與扭轉(zhuǎn)周期之比變化不明顯。方案一中第一平動周期與第一扭轉(zhuǎn)周期值的比值均小于0.9。方案二通過在剪力墻上增大原有洞口或開設(shè)結(jié)構(gòu)洞,使結(jié)構(gòu)剛度變?nèi)幔瑥亩鲩L了周期,說明結(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,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)的位移變形指標均滿足規(guī)范中相應要求。在6 度設(shè)防時,方案二的最大層間位移角比方案一有明顯改進。但最大變形均發(fā)生在荷載工況為風載作用時,說明6 度區(qū)時高層建筑的層間位移主要由風荷載控制,設(shè)計時應將風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。地震作用超過風荷載作用從而成為主要影響因素。因此在8 度區(qū)時方案一的層間位移比方案二更容易滿足規(guī)范的要求,且采用方案一時剪力墻的數(shù)量還可能進一步減少,以充分發(fā)揮建筑的空間性能的要求。

        3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見其他問題

        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)計中容易滿足結(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)研究機構(gòu)相關(guān)的實驗表明,在有橫向鋼筋約束的剪力墻結(jié)構(gòu)中,可增強剪力墻的延性。通過合理的設(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,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)置時應采取一定的加強措施,在實際工程設(shè)計中采取的措施有:

        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。開洞截面高度及連梁跨度的大小對結(jié)構(gòu)的整體影響比較明顯,不容忽視,在工程實際設(shè)計中應根據(jù)具體情況,調(diào)整連梁的跨高比,使設(shè)計盡可能優(yōu)化,符合規(guī)范要求。

        4 結(jié)論及建議

        1) 高層建筑結(jié)構(gòu)應盡量選擇合理的結(jié)構(gòu)體系,平面形狀上力求規(guī)則、對稱、避免凸凹不規(guī)則,滿足抗震規(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,在風荷載或者地震作用下不產(chǎn)生較大的水平位移,通過合理布置墻體,使結(jié)構(gòu)受力更加安全、合理。

        3) 當剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大時,通過減少局部的一般剪力墻或開設(shè)結(jié)構(gòu)洞等措施,可有效減小兩個方向的剛度,從而減少水平構(gòu)件所受的地震力,達到安全性和經(jīng)濟性的較好統(tǒng)一。

        參考文獻:

        [1] GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(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[J]. 工業(yè)建筑,2006( 13) : 56-58.

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