抗震概念設計在框架剪力墻結構體系中的應用

黃小燕，趙 菲，陳超核

（海南大學土木建筑工程學院，海南?？?570228）

抗震概念設計在框架剪力墻結構體系中的應用

黃小燕，趙 菲，陳超核

（海南大學土木建筑工程學院，海南?？?570228）

闡述了高層建筑結構抗震設計中“概念設計”的重要性及其基本原則，并通過有設防烈度地區的高層框架剪力墻結構工程實例，闡明了概念設計在工程結構設計中的應用.

高層建筑結構;概念設計;基本原則;框架剪力墻結構;結構設計

地震作用是一種隨機性比較強的往復循環荷載，建筑物的地震破壞機理又十分復雜，存在著太多不確定因素和模糊情況，特別是在結構內力分析方面，由于未能充分考慮結構的空間作用、材料時效、非彈性性質、阻尼變化等多種因素以及計算方法還不完善，在當前的科學技術發展水平和經濟條件下，要準確計算或預測建筑物所遭遇的地震的特性和參數，目前還很難做到.人們在總結歷次大地震災害的經驗后，逐漸認識到宏觀的“概念設計”比以往的“數值設計”更為重要.因此，概念設計越來越受到人們的重視.

1 結構概念設計的內容和基本原則

1.1 概念設計 所謂“概念設計”是指人們運用對建筑結構體系的正確認識以及運用工程、力學概念來妥善處理結構設計中遇到的各種問題［1］.其宗旨是在特定的建筑空間及環境條件下，用整體概念來考慮結構的總體方案，在初始選型設計階段用概念近似計算方法，迅速有效地對結構體系進行構思、比較與選擇.因此，這要求設計者從結構主體上了解抗震特性和振動中結構的受力特征，抓住主要矛盾，然后用正確的工程力學概念來指導建筑結構設計.

1.2 概念設計的基本原則

1.2.1 剛度適當的原則在地震作用中，如果建筑物的剛度越大，結構的自振周期就越短，所承受的地震作用就越大，建筑物的破壞程度也就相對越嚴重，同時還會造成建筑材料的浪費;但是建筑物的剛度過小，在風荷載和地震作用下，建筑物又會產生較大變形，從而影響其穩定性和正常使用性能.因此，在建筑結構設計中，適當地選擇建筑物的剛度是非常重要的，它直接影響到建筑物的安全性、經濟性和適用性.

1.2.2 結構延性設計原則在“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設計原則下，建筑結構應設計成延性結構，亦即在地震作用下，允許部分構件出現塑性鉸，這種狀態是“中震可修”狀態;如果能合理地控制塑性鉸出現的部位，并且構件具備足夠的延性時，便可做到在大震作用下結構不致倒塌，從而從概念設計中真正實現“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點強錨固”的抗震措施［2］.

1.2.3 多道抗震設防設計原則強烈地震的持續時間，少則幾秒，多則十幾秒，并且不同的地層構造，有可能發生多次余震.長時間的地面運動，將對建筑物產生多次往復沖擊，建筑破壞逐漸累積.如果建筑物僅設置一道抗震防線，該防線一旦沖破，接踵而來的持續的震動，就會造成建筑物的倒塌.如果設置了第二甚至第三道抗震防線，就能夠保證建筑物在地震作用下的安全，同時達到建筑物三水準設計要求.

1.2.4 建筑物的自振周期約束原則在較小的地震作用下，因建筑結構處于彈性工作階段，自振周期較小并接近一個常數，在強烈的地震作用下，當結構的自振周期和場地的特征周期相等或接近時，容易產生共振效應，使得結構的地震反應很大而造成一定的破壞.因此，在抗震概念設計中，應對結構本身的自振周期加以約束，使其避開場地特征周期.

2 工程實例

2.1 工程概況 本工程建筑高度為55.1 m，地上17層，地下1層，其中地下室層高為6.5 m，地上1～14層層高3.0 m，15層3.6 m，16層3.0 m，17層1.5 m，總建筑面積10 393.8 m2.結構體系采用框架剪力墻結構，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15 g.剪力墻抗震等級為2級，框架抗震等級為3級，結構安全等級為2級，地基基礎設計等級為丙級，基礎坐于強風化灰巖.地面粗糙程度為B類，基本風壓0.65 kN·m－2.2種標準層的結構平面布置方案分別見圖1和圖2.由于篇幅有限，本文僅給出方案1的主要構件材料、設計信息和構件截面尺寸，方案2類同.

2.2 概念設計思想在建模中的體現

2.2.1 結構的平面和豎向布置為了減少結構的扭轉效應，建筑結構的豎向和水平布置應具有合理的剛度和承載力分布.在進行結構布置時，平面形狀應盡量簡單、規則、對稱，并盡量縮小質量中心與剛度中心的差異;豎向體型也應盡量規則、均勻，避免有過大的外挑和內收，側向剛度最好下大上小，逐漸均勻變化，避免豎向剛度發生突變.在本工程中剪力墻盡量布置在電梯間以及樓板較大洞口的兩側，并且在兩個主軸方向組合布置成L形、T形或形成封閉的筒，以提高剪力墻自身的剛度（詳見圖2）.

2.2.2 剪力墻的最大間距、構造要求和抗側剛度的調整本工程方案2對剪力墻的位置、長度和厚度均進行了合理的布置和調整，一般墻肢的長度為2～3.5 m，最小墻肢長度不小于5 bw（bw為剪力墻的厚度），單片剪力墻的長度最長為5.1 m，不超過8 m，由于地下室層高為6.5 m，一層以上為3.0 m，顯然，如果地下室與一層的剪力墻面積相同，則一層的剛度大于地下室，因此為了使塔樓各層的剛度趨于均勻，應將各層的剪力墻厚度進行調整，即地下室擋土墻厚取300 mm，一層以上取250 mm，五層以上電梯處剪力墻為200 mm.并且為了提高結構的抗側剛度和抗扭剛度，在建筑的拐角處取消了部分柱子，增設了剪力墻（詳見圖2）.

2.3 部分計算結果及其分析 結構方案的選擇與總體布置，依據控制結構整體性的主要指標位移比［3］、剛度比、周期比、剛重比、剪重比、樓層間受剪承載力之比等.本工程采用中國建筑科學研究院編制的高層建筑結構有限元分析軟件SATWE進行結構建模和分析計算，并調整方案，反復計算，直至滿足規范要求.

2.3.1層間位移角的控制層間位移角（即層間最大位移與層高之比）是控制結構整體剛度和不規則性的主要指標.限制結構層間位移角的主要目的有2點:一是保證主體結構基本處于彈性受力狀態，避免混凝土受力構件出現裂縫或裂縫超過規范允許的范圍;二是保證填充墻和各種管線等非結構構件完好，避免產生明顯的損傷.方案1和方案2的電算分析得出的樓層最大位移角見表1和表2.2種不同方案的最大位移角曲線圖類似，如圖3.

表1 最大樓層層間位移角（方案1）

表2 最大樓層層間位移角（方案2）

圖3 不同荷載作用下的最大位移角曲線圖

根據表格數據顯示，方案1和方案2的不同荷載工況下的最大層間位移角均滿足《高層規程》JGJ3－2002［4］要求（即地震作用下最大層間位移角限值為1/1 000，風荷載作用下限值為1/1 100），并且兩者無明顯的優劣之分.

2.3.2 周期比的控制扭轉周期與平動周期之比是控制結構扭轉效應的重要指標，是結構扭轉剛度、扭轉慣量分布大小的綜合反應.控制結構的周期比，即控制結構的扭轉變形小于結構的平動變形，其目的是使結構的平面布置更加合理、有效，不會出現過大的扭轉效應.表3和表4（取前3個振型周期）分別為方案1和方案2的周期的電算結果.

表3 結構的周期（方案1）

表4 結構的周期（方案2）

經計算，表3中的T3/T1=0.744＜0.9，表4中的T3/T1=0.808＜0.9（T1和T3分別為振型號1和振型號3所對應的周期），滿足《高層規程》JGJ3－2002第4.3.5條的規定.

2.3.3 剛重比和剪重比的控制《高層規程》5.4.4條的條文說明指出，“高層建筑混凝土結構僅在豎向重力荷載作用下產生整體失穩的可能性很小.高層建筑結構的穩定設計主要是控制在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應（重力P－△效應）不致過大，以致引起結構的失穩倒塌.結構的剛度和重力荷載之比（剛重比）是影響重力P－△效應的主要參數.”表5和表6分別為方案1和方案2的剛重比和剪重比的電算結果.

表5 剛重比和剪重比（方案1） %

表6 剛重比和剪重比（方案2） %

表5和6中X和Y向剛重比均大于1.4，能夠通過高層規程（5.4.4）式的整體穩定驗算，并且都大于2.7，可以不考慮重力二階效應.經電算分析，本工程的結構設計水平力較大，方案1和方案2的樓層剪重比（樓層剪力與其上各層重力荷載代表值之和的比值）滿足大于0.024.

2.3.4 樓層間受剪承載力之比樓層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用下，該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和.《高層規程》4.4.3條指出:“A級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應小于其上一層受剪承載力的65%;B級高度高層建筑的樓層間抗側力結構的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的75%”.表7和表8（選取承載力之比較大的3組數據）分別為方案1和方案2的層間受剪承載力之比，計算結果均滿足規范要求.

表7 受剪承載力（方案1）

表8 受剪承載力（方案2）

2.3.5 經濟評價為了與工程實際情況相符，假設混凝土的成本與混凝土的體積成正比，鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比.本工程中筆者僅對比墻柱梁的鋼筋用量和混凝土用量.在造價上，不考慮模板及樓板等其他因素對工程造價的影響.表9為工程結構經濟指標.由表9可知，方案2比方案1在混凝土造價上要節約6.5%，鋼筋造價可以節約9.4%.

表9 結構經濟指標

3 結 論

通過以上SATWE建模下的幾項指標分析，得出方案2優于方案1，方案2充分針對高層框架剪力墻結構特點，根據結構設計的基本原理和概念，對結構的設計方案進行考察、分析、確定，以及運用工程設計概念貫穿整個設計，反復比對原設計方案并不斷調整，將建筑藝術性與受力合理性有機地結合，充分考慮荷載特點、地基條件、施工方法及材料狀況，從結構觀點保證強度、剛度、傳力途徑直接簡捷并滿足抗震有關要求［5］.體系具備必要的強度、良好的變形能力和耗能能力，避免了過大的應力集中和塑性變形集中及薄弱層，處理好剛度與強度、剛度與延性、強度與延性三者的關系.

［1］魏璉，韋承基，高小旺.論建筑結構抗震設計的墓本原則［J］.建筑結構學報，1985（5）:128－131.

［2］趙積華.建筑抗震設計原理［M］.南京:河海大學出版社，2003:1－2.

［3］魏璉，王森.論高層建筑結構層間位移角限值的控制［G］∥張幼啟.首屆全國建筑結構技術交流會論文集.深圳:建筑結構，2006，36（增刊）:49－55.

［4］中華人民共和國建設部.JGJ3－2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［5］書鵬生，王全鳳.多因素對剪力墻最優剛度影響的綜合分析［J］.工程力學，1996，13（2）:61－68.

Application of Seismic Conceptual Design in the Frame-shear Wall Structure

HUANG Xiao-yan，ZHAO Fei，CHEN Chao-he

（College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China）

In the paper，the importance and basic principles of“concept design”in tall buildings of seismic design were introduced，and intensity frame-shear wall structure high-rise residential areas of engineering practices were used as examples to elucidate the application of conceptual design in engineering structure design.

tall buildings structural;conceptual design;basic principles;frame-shear wall structure;structural design

TU 973+.16

A

1004－1729（2012）01－0058－08

2011－07－26

海南省教育廳科研課題（Hjkj200723）;海南大學2009科研項目（hd09xm76）

黃小燕（1986－），女，江西宜黃人，海南大學土木建筑工程學院2009級碩士研究生.