剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

關(guān)志榮

(佳木斯市建筑設(shè)計(jì)研究院， 黑龍江 佳木斯 154002)

我國(guó)地震工程研究取得了重大進(jìn)展，但仍存在許多不確定性。在經(jīng)歷了地震災(zāi)害后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性。剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)是指運(yùn)用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系和地址工程力學(xué)的正確認(rèn)識(shí)，妥善處理建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各種問(wèn)題[1]。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的基本原則

1.1 選擇合適的剛度

在地震作用下，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期會(huì)隨著結(jié)構(gòu)剛度的增加而縮短。如果建筑結(jié)構(gòu)剛度過(guò)高，將承受更大的地震荷載，遭受更嚴(yán)重的破壞；如果建筑結(jié)構(gòu)剛度太低，風(fēng)荷載和地震荷載產(chǎn)生的側(cè)向撓度會(huì)增加很多，這樣會(huì)影響建筑物的穩(wěn)定性和正常使用性能。因此，選擇合適的剛度對(duì)建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和使用性能有著直接的影響。

1.2 選擇合適的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

多年來(lái)，我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)一直是建造能經(jīng)歷中等地震可修復(fù)和嚴(yán)重地震不倒塌的建筑物。為了達(dá)到這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于抵抗地震荷載的構(gòu)件必須以延性方式工作，并以不影響結(jié)構(gòu)整體性能的方式耗散能量。成功的框架抗震設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)的配筋合理，使塑性鉸發(fā)生在強(qiáng)度影響最小的位置，因此采用“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的理論指導(dǎo)方法來(lái)設(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.3 選擇多道抗震設(shè)防體系

建筑主體結(jié)構(gòu)應(yīng)按多道抗震設(shè)防體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了抵御災(zāi)難性地震，結(jié)構(gòu)的某些部分可能會(huì)在局部位置屈服或開(kāi)裂，隨著這種屈服的擴(kuò)張，將延長(zhǎng)建筑物的振動(dòng)周期并增加其阻尼，使其能夠耗散大量地震能量。因此，多道設(shè)防的建筑物能夠抵抗強(qiáng)烈的地震作用，而不會(huì)出現(xiàn)重大的結(jié)構(gòu)破壞。

1.4 選擇合適的幾何結(jié)構(gòu)特性

地震振動(dòng)頻率越接近結(jié)構(gòu)的固有頻率，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性就越大，從而導(dǎo)致建筑物位移和損傷的增加。因此建筑對(duì)地震的反應(yīng)依賴于其幾何結(jié)構(gòu)特性，尤其是建筑高度。高層建筑對(duì)長(zhǎng)周期(低頻)地震的反應(yīng)更強(qiáng)烈，而多層建筑對(duì)短周期(高頻)地震的反應(yīng)更強(qiáng)烈。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目說(shuō)明

本工程為高層住宅，建筑高度78 m。地下1層，地上26層。地下室層高4.0 m，一層層高5.5 m，其余層高均為2.9 m，總建筑面積11 134.57 m2。工程采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.30 g。

圖1 兩種結(jié)構(gòu)布置方案Fig.1 Two structural layout schemes

2.2 結(jié)構(gòu)布置

兩種剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)地震反應(yīng)有很大的影響，剛度或幾何不連續(xù)的結(jié)構(gòu)可能承受極大的地震力，產(chǎn)生非常大的位移。結(jié)構(gòu)要具有合適的剛度和足夠承載力，絕大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)在整個(gè)建筑平面上均勻?qū)ΨQ分布。

剪力墻結(jié)構(gòu)沿墻的長(zhǎng)度方向即平面內(nèi)抵抗側(cè)向力的能力很強(qiáng)，但沿墻的厚度方向即平面外抵抗側(cè)向力的能力很弱。設(shè)計(jì)時(shí)通常忽略墻對(duì)平面外水平力的橫向阻力，為了使兩個(gè)方向都具備抗側(cè)能力，通常讓兩個(gè)或兩個(gè)以上的墻垂直相交，以提供對(duì)所有方向側(cè)向力的承載能力。為了減少地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可根據(jù)建筑物的質(zhì)量特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)剛度中心靠近所施加側(cè)向力的質(zhì)心時(shí)，抗扭轉(zhuǎn)效果最好。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，剪力墻的合理長(zhǎng)度為2.0～3.5 m，不小于5 bw(bw為壁厚)。本工程的一層剪力墻厚為250 mm，其他樓層為200 mm。

2.3 結(jié)果和分析

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保其在所有規(guī)范規(guī)定的荷載條件下具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。本工程采用PKPM有限元分析軟件進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如下：

(1)樓層層間位移角的對(duì)比：層間位移角(即層間最大位移與層高之比)是控制結(jié)構(gòu)不規(guī)則性與整體剛度的主要指標(biāo)。限制層間位移角可以保證主體結(jié)構(gòu)處于彈性階段，以防止混凝土構(gòu)件變形過(guò)度造成開(kāi)裂；可以確保填充墻、各種管道和其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于良好狀態(tài)，且無(wú)明顯損傷。地震工況下方案1 X方向?qū)娱g位移角為1/846，Y方向?yàn)?/870；方案2 X方向?qū)娱g位移角為1/1421，Y方向?yàn)?/1366。風(fēng)荷載工況下方案1 X方向?qū)娱g位移角為1/1579，Y方向?yàn)?/1549；方案2 X方向?qū)娱g位移角為1/1328，Y方向?yàn)?/1275。地震荷載+風(fēng)荷載工況下X方向?qū)娱g位移角為1/1204，Y方向?yàn)?/1153；方案2 X方向?qū)娱g位移角為1/1102，Y方向?yàn)?/1021。從中可以看出，方案2的最大樓層偏移角滿足規(guī)范要求，而方案1不滿足規(guī)范要求。(地震和風(fēng)荷載作用下最大層間位移角限值分別為1/1000和1/1100)。

(2)橫向剛度對(duì)比：剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)著近80%的水平地震和風(fēng)荷載作用。剪力墻的抗側(cè)剛度直接影響結(jié)構(gòu)的安全性能和造價(jià)[2]。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]，樓層的側(cè)向剛度不小于其上一層的70%，不小于其上三層平均剛度的80%。結(jié)果表明，方案1和方案2剪力墻的側(cè)向剛度均滿足規(guī)范要求。

(3)振動(dòng)周期的對(duì)比：周期比(即扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期之比)是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)，反映了扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分布情況。控制周期比(即控制扭轉(zhuǎn)變形小于平動(dòng)變形)是為了使結(jié)構(gòu)布置合理有效，不產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果是t3(1.542 9)/t1(1.864 4)=0.827<0.9(方案1)和t3(1.451 0)/t1(1.692 9)=0.857<0.9(方案2)。t1和t3分別定義為振型1和振型3的振動(dòng)周期，由結(jié)果來(lái)看方案1和方案2均符合規(guī)范要求。

(4)剛重比和剪重比的對(duì)比：根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，只有在豎向重力荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)可能性較小。高層建筑穩(wěn)定設(shè)計(jì)的目標(biāo)是控制風(fēng)荷載和水平地震作用下重力荷載引起的二階效應(yīng)。剛重比結(jié)果分別是：方案1 X方向?yàn)?.73，Y方向?yàn)?.71；方案2 X方向?yàn)?.66，Y方向?yàn)?.71。剪重比結(jié)果分別是：方案1 X方向?yàn)?.17%，Y方向?yàn)?%；方案2 X方向?yàn)?.72%、Y方向?yàn)?.40%。從中可以看出，兩種方案X、Y方向的剛重比均>1.4，滿足整體穩(wěn)定要求。方案2的剪重比>0.048滿足規(guī)范要求，方案1的剪重比不能滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本原則，使用有限元分析軟件對(duì)某剪力墻結(jié)構(gòu)的兩種不同布置方案進(jìn)行了對(duì)比，從對(duì)比中可看出剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用。結(jié)果表明，在概念設(shè)計(jì)階段，方案2更符合抗震設(shè)計(jì)基本原則，在結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面優(yōu)于方案1，由此可以看出剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性。