劉 菲

(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

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高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉 菲

(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

介紹了剪力墻結(jié)構(gòu)的基本理論，以西安北動(dòng)車段單身綜合樓工程為例，提出了優(yōu)化前后兩種剪力墻結(jié)構(gòu)的布置方案，并采用有限元分析軟件SATWE，從周期比、層間位移角、整體穩(wěn)定性等方面，對(duì)比分析了兩種方案的計(jì)算結(jié)果，指出優(yōu)化后的剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案更為合理。

剪力墻，結(jié)構(gòu)布置，三維模型，剛度

1 剪力墻結(jié)構(gòu)的基本理論

1.1 剪力墻類型

剪力墻結(jié)構(gòu)包括墻肢和連梁，可以同時(shí)承擔(dān)豎向及水平荷載，由于其平面內(nèi)剛度很大，所以在承擔(dān)風(fēng)荷載及地震作用傳來(lái)的水平荷載時(shí)，產(chǎn)生的側(cè)移小，是常用高層建筑結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)墻體上洞口位置的排列方式、洞口尺寸及數(shù)量等因素，可將剪力墻劃分為：整截面墻、整體小開(kāi)口墻、聯(lián)肢墻(雙肢墻、多肢墻)、壁式框架(見(jiàn)圖1)。

1.2 計(jì)算假定

1)樓板在平面內(nèi)剛度無(wú)窮大，平面外剛度幾乎為零。由于高層建筑中，樓面尺寸較大，整體性能好，平面內(nèi)剛度很大，樓板在平面內(nèi)每一點(diǎn)的位移相等。而在平面外，板厚只有十幾厘米，對(duì)剪力墻伸縮、彎曲的約束作用小，可認(rèn)為樓板平面外剛度為零。2)剪力墻平面內(nèi)剛度取決于截面尺寸，平面外剛度為零。可認(rèn)為剪力墻只承擔(dān)平面內(nèi)的作用力，與受力方向垂直相交的剪力墻，視為受力方向剪力墻翼緣。在上述兩個(gè)假定下，當(dāng)水平荷載作用點(diǎn)與結(jié)構(gòu)剛度中心重合時(shí)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)概況

本文計(jì)算實(shí)例為西安北動(dòng)車段單身宿舍綜合樓，該樓為南北通透的板式樓，標(biāo)準(zhǔn)層平面呈“一”字形內(nèi)廊式布置。地下1層，地上23層，層高3.0m，建筑總高69.0m，建筑面積為19 478m2；結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度×寬度=45.0m×17.10m，高寬比h/b=1.533，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

勘察報(bào)告顯示，本工程場(chǎng)地類別Ⅲ類，自上而下依次為填土、雜填土(建筑垃圾)、中砂、細(xì)砂等，地下水埋深約7m～12m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，地震分組第一組，基本地震加速度0.20g，屬標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)?；撅L(fēng)壓：0.35kN/m2，基本雪壓：0.25kN/m2。建筑立面如圖2所示。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)布置一般原則

1)平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，兩主軸方向側(cè)向剛度相差不宜過(guò)大。2)不宜采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。3)剪力墻應(yīng)具有適宜的側(cè)向剛度，不宜布置過(guò)密。若墻體布置較多，側(cè)向剛度較大，但結(jié)構(gòu)的自重也相應(yīng)加大，地震作用加大，反而對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。4)其門窗洞口宜上下對(duì)齊且成列布置。5)剪力墻墻段較長(zhǎng)時(shí)，受彎后產(chǎn)生的裂縫寬度較大，墻體配筋容易拉斷，因此《高層規(guī)程》規(guī)定，剪力墻長(zhǎng)度不宜大于8.0m。

2.3 結(jié)構(gòu)布置方案

3 計(jì)算分析與數(shù)據(jù)對(duì)比

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

選取SATWE程序進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。計(jì)算過(guò)程中要針對(duì)設(shè)計(jì)條件及建筑方案對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主要參數(shù)如下所示：1)恒、活荷載計(jì)算均模擬施工加載方式3。2)地震作用和風(fēng)荷載按X,Y兩個(gè)方向計(jì)算。3)地震作用計(jì)算振型個(gè)數(shù)為15個(gè)，以保證振型參與質(zhì)量系數(shù)達(dá)到90%。4)剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)，特征周期0.45s，地震影響系數(shù)最大值為0.16，阻尼比0.05。5)根據(jù)《高層規(guī)程》，剪力墻結(jié)構(gòu)的周期折減系數(shù)可取0.8～1.0，本例取0.90。

表1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)及墻厚分布

混凝土強(qiáng)度等級(jí)及墻厚分布見(jiàn)表1。

3.2 模型信息

兩個(gè)剪力墻設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)層三維模型及整體模型如圖3，圖4所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

表2 模型振型周期表

2)層間位移角(Δu/h)。剪力墻結(jié)構(gòu)，若側(cè)向剛度過(guò)小，會(huì)造成較大的變形及裂縫，影響正常使用。若布置太密，會(huì)加大結(jié)構(gòu)自重，增大地震作用，反而對(duì)結(jié)構(gòu)不利。層間位移角對(duì)比見(jiàn)表3。

兩方案均滿足要求，優(yōu)化后剛度更大，位移減小。

3)X,Y方向位移比、層間剛度比、層間受剪承載力比。對(duì)比兩模型位移比數(shù)據(jù)，均滿足要求。具體如表4所示。

表3 層間位移角對(duì)比

表4 X，Y方向位移比

計(jì)算結(jié)果顯示：兩模型層間剛度比最小值均為1.0，大于規(guī)范要求的0.9，避免了薄弱層破壞；優(yōu)化前層間抗剪承載力比最小值為0.97，優(yōu)化后為0.99，滿足限值要求。

4)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。高層建筑在風(fēng)荷載及水平地震作用下，重力荷載在水平位移效應(yīng)上會(huì)引起重力二階效應(yīng)，隨著結(jié)構(gòu)剛度的降低，這種不利影響呈非線性增長(zhǎng)?！陡邔右?guī)程》中最小剛重比限值為1.40，且若剛重比不小于2.70，可不考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

兩方案在其他設(shè)計(jì)參數(shù)一致的情況下，優(yōu)化前剪力墻設(shè)置更多，但結(jié)構(gòu)剛度反而降低，位移增大，說(shuō)明其剪力墻布置的位置及數(shù)量欠合理。優(yōu)化后通過(guò)調(diào)整剪力墻的位置，減小了剪力墻的數(shù)量，得到了更高的結(jié)構(gòu)剛度，布置為更合理。

最后，采用YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，得到了相同的計(jì)算結(jié)果、結(jié)論。據(jù)此，本建筑采用優(yōu)化后的剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案。

[1] 晏育松.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2009.

[2] 周世煒.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004.

[3] PKPM 2010SATWE S-3 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件[R].北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部，2010.

[4] 邱 良.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].科技風(fēng)，2009(10)：8.

[5] 張潔靜.型鋼混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

On optimal measures of high-rise shearing wall structure

Liu Fei

(ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710000,China)

The paper introduces the basic theory for the shearing wall structure, points out the two layout schemes for the shearing wall structure by taking the single comprehensive building at multiple unit train depot of north of Xi’an as the example, adopts the finite element analysis software, SATWE, undertakes the comparative analysis of the calculation results of the two schemes from the period ratio, hierarchy displacement angle, and integrated stability, and points out the shearing wall after the optimization is more reasonable.

shearing wall, structural layout, three-dimension model, stiffness

1009-6825(2016)10-0055-02

2016-01-28

劉 菲(1987- )，女，助理工程師

TU973

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