高層框架剪力墻結構抗震性能分析

黨 亮,曲浩然

(1.中交第四公路工程局有限公司,北京100022；2.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室,武漢430070)

隨著現代社會經濟科技的發展以及施工技術的提高,為了解決我國人口數量眾多與土地資源緊缺之間的矛盾,現代房屋的高度不斷增加。框架剪力墻結構通過在框架結構中布置一定數量的剪力墻,彌補了高度增加后高層結構剛度下降的缺陷,在一定程度上提高了整體結構的抗震性能。

考慮抗震性能的現澆鋼筋混凝土房屋的結構類型主要包含框架-剪力墻結構、剪力墻結構、框架核心筒結構和筒中筒結構。傅學怡[1]從框架和剪力墻結構協同工作的基本微分方程入手,研究了基礎剛度對框架-剪力墻結構側移剛度、最大層間位移以及內力分布的影響規律,完善了高層建筑抗震設計。朱愛萍[2]選擇4個不同平面布置形式的多層剪力墻結構,并按照現行規范對其進行抗震設計,同時減少了墻體的構造鋼筋量,證明了高烈度區多層剪力墻結構設計可以采用比現行規范規定偏低構造配筋的可能。李夢珂[3]綜合對比了中美抗震設計規范體系的總體效果,采用中國規范對美國典型高層鋼筋混凝土框架-核心筒結構案例進行了對比設計研究,為我國高層建筑抗震框架-核心筒結構設計提供參考。杜濤[4]通過對某超高層結構進行工程結構選型、抗震性能目標設計及主要結果分析,詳細介紹了采用帶加強層的矩形鋼管混凝土柱外筒-鋼筋混凝土內筒的筒中筒混合結構體系的性能,為超高層結構設計提供一定的理論參考。選取高層中最常用的框架剪力墻抗震體系,分析在不同方向地震波作用下剪力墻按不同形式分布的結構抗震性能,為工程中剪力墻布置原則提供一定參考依據。

目前我國普遍采用的單體建筑抗震性能的評估方法主要包含靜力彈塑性分析法、時程分析法和增量動力分析法。季靜[6]針對某帶轉換層部分框支剪力墻鋼筋混凝土結構進行靜力彈塑性分析,得到結構及各個構件的反應量的統計特征,并研究考慮不同結構設計及構造因素對不同抗震烈度區的框支剪力墻結構的可靠性的影響。劉金林[7]基于SAP2000,針對某一框架結構采用不同抗震分析方法進行抗震性能評估,得出時程分析法具有準確性高、適用性強等優點。朱漢波[8]基于建筑物抗震性能全概率的評估思路,采用增量動力分析法對某框架剪力墻結構進行地震易損性分析,為在我國進一步開展基于全概率理論的建筑物抗震性能評估方法提供參考。

1 模型建立

考慮到實際高層框架剪力墻結構空間布置的靈活性,以某高層建筑物的簡化模型作為研究對象,相關參數設置如下:結構形式為框架剪力墻結構,位于抗震設防烈度為8度的地區,場地類型為Ⅲ類。工程共24層,均位于地平面以上。平面形狀為矩形,1～3層層高為4.5 m,其它各層層高均為3.3 m。柱截面尺寸取500 mm×500 mm,梁截面寬度取300 mm,高度取600 mm,剪力墻厚度取300 mm,樓板厚度取150 mm。整體模型采用同種混凝土材料,彈性模量取3.0×104MPa；泊松比取0.2,材料密度取2 500 kg/m3。

采用ANSYS整體式有限元方法進行建模,三維模型如圖1所示。梁、柱單元采用BEAM188單元,剪力墻、樓板采用SHELL181單元,將樓板均向上偏移0.3 m 使樓面板頂部與梁頂面持平。結構底部施加全部約束,與地面采取固結的形式。

建立三個計算模型,剪力墻布置形式如圖2所示,其中剪力墻布置形式3所布剪力墻數目最多,且在縱向及橫向均有布置,剪力墻布置形式1與2數量相同,但布置形式2僅布置沿縱向分布的剪力墻。

2 模態分析

為驗證所建立的ANSYS計算模型的正確性,對3種布置位置下結構的自振頻率進行對比分析,結果如表1所示。

從表1中布置位置1和2的自振頻率對比可以看出,剪力墻分布位置的不同會很大程度的影響到結構的自振頻率。采用分布位置1所示布置剪力墻,結構的自振頻率除了2,3階外,均大于剪力墻分布形式為2的情況。由于第二階振型是沿著z軸方向(樓層高度方向為y 軸,沿縱向為x 軸,沿橫向為z軸)所以分布位置為2的情況下z軸向的側移剛度以及扭轉變形均大于分布位置1的情況。按布置位置3分布的框架剪力墻結構自振頻率最大,說明隨著剪力墻數量的增加,結構的抗側剛度相應增加,會極大影響到結構的振動頻率。

表1 不同剪力墻布置位置下結構自振頻率

3 基于彈性的框架剪力墻結構抗震性能分析

在對結構進行彈性時程分析時擬采用el-centro波,由于結構基本設防烈度為8度,根據《建筑抗震設計》將地震加速度峰值換算成0.7 m/s2。利用ANSYS進行彈性時程分析,荷載步時間步取0.02 s一次,得到20 s內結構在圖2中3種不同形式剪力墻布置下的各層位移。輸入沿x 方向作用的el-centro波,即輸入縱向地震波時,通過反應譜分析,得到底部5層和頂部5層的各層間位移如表2所示。

表2 3種剪力墻布置形式下各層位移(x方向)

通過表2可以看出隨層數增高層間位移基本呈現增大趨勢,底部5層的層間位移變化幅度大于頂部5 層。為了更直觀地體現各層位移變化趨勢,現繪制各層間位移角點線圖如圖3所示。

從圖3中可以看出,當地震波沿x 方向作用時,各層間位移角隨層數的增高逐漸增大,但增加趨勢趨于平緩,符合框架-剪力墻變形特點,呈彎剪型變形。在三種布置形式下,剪力墻按2位置布置的位移最大,其次是位置1,最小是位置3,造成這種結果的原因是由于在2位置布置形式下僅有沿橫向分布的剪力墻,在沿x方向的地震波作用下其抗變形性能要小于存在縱向剪力墻的布置形式。隨著樓層數的逐漸增加,可看出按照位置3布置剪力墻結構抗側剛度較大,層間位移明顯小于按位置1和位置2布置,因此對于高層結構來說,適當增加剪力墻的數量可以有效提升結構在地震作用下的抵抗變形能力。

輸入沿z方向作用的el-centro波,即輸入橫向地震波時,通過反應譜分析,得到底部5層和頂部5層的各層間位移如表3所示。

表3 3種剪力墻布置位置下各層間位移(z方向)

當地震波沿z軸作用時,各層間位移角表示為圖4。

由圖4可以看出,當地震波沿z 方向作用時,隨著樓層數的增加,布置位置1的位移大于布置位置2,是由于在布置位置2中沿橫向布置的剪力墻數目大于布置位置1,橫向抗側剛度較大。而布置位置2與布置位置3,橫向抗側剛度較強,其層間位移發展趨勢基本一致,說明在空間分布較為規則且分區較少的結構中,沿與地震波垂直方向增加剪力墻的布置數量后結構抗震性能會得到極大的提高。

4 結 論

通過ANSYS建立框架剪力墻高層建筑結構的有限元模型,并對結構進行了模態分析和在地震波作用下的靜力時程分析。比較不同方向下的地震作用對不同分布形式的剪力墻的層間位移的影響,可得到以下結論:

a.層間位移角隨著層數提高而逐漸增大,但增加趨勢逐漸減緩,符合框架剪力墻結構彎剪型變形的特點。

b.當縱向地震波作用于結構時,剪力墻布置形式2的結構產生的層位移最大,形式1較形式3稍大。當橫向地震波作用于結構時,剪力墻布置形式1的結構產生的層位移最大,形式2居中,形式3最小。可以看出,地震作用的方向不同,不同形式的剪力墻布置的抗震性能各有優勢,相比較而言,剪力墻布置形式3綜合了形式1和形式2的優勢,在抗震性能上都優于前兩者。

c.剪力墻數量增多可以顯著提高結構抗震性能,綜合考慮按方式1 L 型布置剪力墻要比方式2沿單一方向布置剪力墻有更好的抗變形性能力。