某高層框架—剪力墻結構設計要點的探討

師希望，林順青

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西工程職業技術學院，山西 太原 030024；3.莆田市高速公路有限責任公司，福建 莆田 351100）

1 引言

近年來在國內設計領域涌現出了大量的建筑結構設計程序，其中最具代表性的且廣泛應用于高層框架—剪力墻結構設計的是PKPM系列和TBSA系列。SATWE的核心是解決了剪力墻和樓板的模型化問題，盡可能地減小了其模型化誤差，使分析結果能較好地反映出高層建筑結構的真實受力狀態，可進行地震反應譜分析、時程分析等多種分析。

文章從分析研究的角度出發，以實際工程為背景采用PMCAD精確建模，利用SATWE分析并在驗證了其計算結果準確性的前提下，以其計算結果為依據來探討高層框架—剪力墻結構體系中設計要點的諸多問題。

2 工程概況

該高層建筑為公共綜合性建筑，建筑面積11 200 m2，其中地下室800 m2，建筑總高度54.45 m，地下室埋深5.3 m，地下一層作為設備用房及倉庫，地上13層，頂層作為會議室，為滿足空間要求，結構采用鋼框架；其中建筑高寬比H/B=2.52、長寬比L/B=2.13均較為理想。該建筑地處7度抗震設防區，建筑場地類別為B類，建筑場地特征周期為0.45 s（按近震設計），基本風壓值為0.4 kN/m2，為保證水平力的傳遞和分配，使樓板平面內剛度無窮大，樓、屋面均采用現澆鋼筋混凝土結構。

表1 結構振型周期表

3 模型計算結果的分析

3.1 動力特性

3.1.1 周期

計算結果見表1（由于篇幅的原因僅選取前5個振型的周期進行分析）。

根據結構周期的經驗公式驗算此模型的周期基本符合要求，但從振型參與系數可以看出第一、二、四、五周期基本為平動周期，其中第一、五周期為Y向平動周期，第二、四周期為X向的平動周期。第三周期平動成分較小，扭轉成分較大。從這一結果可以看出本工程整體剛度很好。

根據“高規”第4.3.5規定，“結構平面布置應減少扭轉的影響。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與結構平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85”，從而可以看出建筑的扭轉比符合規范要求。

3.1.2 振型

SATWE軟件采用振型分解反應譜法進行結構的地震反應分析。根據“高規”第5.1.13條第二款規定，抗震計算是宜考慮平扭藕聯計算結構的扭轉效應，振型數不小于15，對多塔結構不應小于塔樓數的9倍，且計算振型數應使振型參與質量不小于總質量的90%。

X，Y方向的有效質量系數計算結果：X向地震有效質量系數99.78%；Y向地震有效質量系數99.50%。由以上規定來看，均滿足要求。

從振型圖可以看出模型中X方向振型較Y方向有較大擺動，說明結構X方向剛度相對于Y方向較弱，從振型圖中大致看出此結構體系有利于結構抗震，結構振型圖見圖1。

圖1 結構振型圖

3.2 變形特性

新“高規”的4.3.5條規定，高層建筑的樓層豎向構件最大水平位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍；對于層間位移角，A級高度高層建筑不應大于該樓層平均值的1.5倍，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑，不應大于該樓層平均值的1.4倍。

從SATWE分析圖形的角度直觀地查看在地震作用下和風荷載的作用下層間最大位移和層間最大角位移，見圖2、3、4、5，其中，圖5中地震作用下Y方向的最大層間位移角為1/574，相對于其他情況下的層間位移角比較大，主要原因是頂層為鋼結構加層，下面數層是鋼筋混凝土結構，兩者的阻尼比等設計參數差別較大，層高比較高，呈現出“上柔下剛”的受力機制，勢必在地震作用下會出現這樣的變形狀態，但是還是符合“高規”的相關規定。

圖2 地震作用下最大樓層位移

圖3 地震作用下最大層間位移角

圖4 風荷載作用下最大樓層位移圖

圖5 風荷載作用下最大層間位移角

3.3 內力特性

本工程地下室框架柱抗震等級為3級，剪力墻為4級。按照規范，二級要求軸壓比小于等于0.6。筆者根據本結構模型的底層柱、剪力墻的最大組合內力簡圖（見圖6）計算得到軸壓比的主要分布在0.35~0.45之間，0.46~0.6以上占的比例很小，所以絕大部分剪力墻均沒有完全發揮其力學性能，究其原因主要是結構設計偏于保守。

圖6 底層柱、墻最大組合內力簡圖

4 結束語

通過對本模型計算結果的分析，對結構的動力特性、結構變形、內力特性有了一個全面的了解，下面筆者將通過對結構性能的分析對此結構設計的優缺點作一個評價。

4.1 動力特性

從結構模型的計算結果可以看出，本結構自振周期比高層結構周期經驗公式計算的結果要小，說明結構剛度偏大。由樓層質點的振型圖可以看出，結構的前4階振型圖較光滑，只是在地震作用時在第八周期結構振型圖有拐點（擺幅較大），說明結構設計還是基本規則，滿足“高規”的相關規定。

4.2 結構變形

高層建筑中為了保證結構具有較大剛度，應對層間位移加以控制，這個控制實際上是構件截面大小、剛度大小的一個相對指標。

層間位移角的限制卻不包括建筑整體彎曲產生的水平位移，要求較寬松，顯然層間位移是與結構的抗側剛度緊密聯系的，剪力墻結構的抗側剛度主要是由剪力墻產生的，而剪力墻的多少又直接與混凝土和鋼筋的用量相關，所以對位移進行控制就間接控制結構的造價，結構的經濟性是在綜合考慮各個控制因素的基礎上對結構作出的功能與造價的最優比。

本結構模型的頂點位移變形比較大，筆者分析有兩個原因：①鞭梢效應的影響；②頂層采用鋼結構且層高較大，在地震作用下柔性較大，但小于“高規”的限值。說明原結構設計剛度適中，基本發揮結構的變形能力，設計基本合理、經濟，但最大層間位移角均發生在地震作用下時，說明其控制作用的是地震的影響，進行設計的時候應將地震考慮成影響結構性能的主要因素。

4.3 內力特性

本結構的剪力墻抗震等級如果加大的話其限值可能更大，說明該結構遠沒發揮剪力墻的力學性能，設計偏于保守，需要重新布置剪力墻優化結構體系。

[1]建筑抗震設計規范（GB50011-2001）.中國建筑工業出版社，2008.

[2]混凝土結構設計規范（GB 50010-2002），中國建筑工業出版社，2002.

[3]高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2002）中國建筑工業出版社，2002.

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