框架剪力墻模型下結構抗震性能包絡研究

【摘要】

結合案例基于有限元數值分析，全面分析超高層剪力墻結構住宅在地震荷載的影響下的受力狀態以及可能形成的破壞，同時查找結構設計過程中結構所存在的薄弱環節，為后續加強措施的應用提供依據。

【關鍵詞】超高層; 剪力墻; 住宅; 抗震性能

【中圖分類號】TU352.11【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］張含霞（1990—），女，碩士，講師，工程師，研究方向為建筑與土木工程。

1 研究背景及意義

據國家統計局數據顯示，2016年末我國常住人口城鎮化率達57.4%，城鎮人口的不斷增加，促進了我國房地產業的發展，尤其是住宅需求不斷提升。2017年1～10月我國房地產住宅投資61 871.23億元，同比增長超9.5%。為了提高城市土地利用率，建筑高度不斷提升，剪力墻結構也隨之廣泛應用于建筑結構之中。據相關統計數據顯示，目前我國高層建筑中剪力墻結構已超75%［1］。建筑結構設計過程中，設計人員對純剪力墻結構設計在實踐中已經積累了較多的經驗，設計過程中剪力墻的布置通常情況下，主軸方向剛度應保持一致，不應相差過大，剪力墻沿主軸方向雙向布置。進行抗震設計過程中建筑豎向結構受力應該上下連續，水平方向上應該做到盡可能的保持對齊，“一字墻”不應布置在純剪力墻結構之中。在實際項目設計過程中，如果為了抵抗側向荷載，過多的布置剪力墻，會增加建筑的整體質量，發生地震時吸收過多的能量［2］。同時由于構件剛度大，造成材料的浪費，成本增加。如果墻肢布置過少，導致建筑側向剛度不足，無法有效的抵抗側向荷載，無法滿足建筑抗震要求。

剪力墻結構構件設計過程中如何平衡強度與剛度之間的關系一直是業界研究的重點。目前，國內外的學者以及結構設計領域專家對剪力墻結構的研究主要是基于豎向構件尺寸以及剪力墻構件算法上展開。對于剪力墻墻肢長度的研究主要是在一般剪力墻與短肢剪力墻之間的對比分析上［3］。盡管部分研究對剪力墻結構進行了優化分析，但是也主要集中在材料強度、墻肢長度以及墻肢厚度等方面。

根據我國GB 50352-2005《民用建筑設計通則》規定：“建筑高度超過100 m時，不論住宅及公共建筑均為超高層建筑［4］。”根據抗震設防烈度、結構形式、抗震設防分類等不同，建筑的高度限制也有所差異［5］。隨著建筑技術的不斷發展，建筑高度不斷提升的同時超限建筑也不斷涌現。設計人員在進行結構設計的過程中，越來越多的采用剪力墻結構形式，使得超高層住宅剪力墻結構的抗震性能研究具有現實意義。

本文對超高層剪力墻結構住宅進行深入的研究，所選案例地上54層，地下4層，標準層層高3.2 m，建筑地上部分總高度為170 m。總建筑面積52 189 m2，共有住宅216套。項目選用鋼筋混凝土剪力墻結構形式，因為開發商對功能要求相對較高，高寬比為9.05，遠遠超過國家規范要求使得建筑結構抗震性能存在較多的不利因素，與一般建筑結構抗震設計相比難度更大。且該住宅建筑高度達到170 m，后期投入使用后住戶人數多，對結構安全性要求高，如何保證結構在地震作用下的安全性是本文主要研究的重點內容。

2 工程建筑概況

本建筑項目位于某省省會城市，項目由某知名房地產企業開發。建筑為超高層住宅項目，地上54層，地下4層，標準層層高3.2 m，建筑地上部分總高度為170 m。總建筑面積52 189 m2，共有住宅216套。本項目總平面見圖1。

2.1 結構超限概況

我國對于結構體系較為復雜、超出國家現有的設計規范的項目設計展開相應的評估工作，盡管本工程設計人員選用的是較為常見的剪力墻結構體系，但因為所設計的建筑為住宅，其使用功能使得建筑設計上存在較多的超出現有規范要求的設計元素［6］，例如：建筑的高寬比、平面與豎向規則性等方面。而這些方面《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中對超限情況進行了具體的規定。

2.2 工程地質情況

2.2.1 場地地層分布及地下水

根據地質勘查報告顯示，本項目地下水主要位于礫砂層以及圓礫層之中，屬于潛水層，地下水平均埋深為12.36 m，地質勘查期間地下水水位位于11.6～15.1 m之間。水位變化幅度在0.6～2.0 m之間，抗浮水位為地下9.8 m處。對地下水進行水質檢測發現，該水質對鋼筋混凝土具有弱腐蝕性。

同時，設計人員對地震效應進行分析，場地設計地震分組為第一組，特征周期值取為0.35 s，加速度取值為0.10g；根據地脈動測定以及波速測定，該項目20 m區域內覆蓋層厚度3～50 m，土層等效剪切波速為210～260 m/s，屬于Ⅱ類場地；隨機選擇場地內3個點進行振動測試，測得平均周期分別為0.358 s、0.335 s、0.395 s。該場地從地貌、地形、地質等條件均屬于建筑抗震一般地段。

3 框架剪力墻模型下結構抗震性能包絡研究

因為本文所選用的案例項目在X方向上外墻存在大量的短肢墻體構件，所以在進行模型分析研究的過程中需要將短肢墻體改為框架柱，對框架剪力墻模型展開進一步的補充研究。利用框架柱替換短肢墻體的過程中需要使得框架柱在厚度與長度上與短肢剪力墻保持一致。為更好的模擬框架柱在地震作用下的受力情況，需要在相連墻肢與框架柱之間布置相應的計算縫。根據1.5Vfmax與0.2V0中的較小值對模型中每層框架柱的總剪力進行調整。模型設計過程中需要滿足所布置的框架柱能夠滿足結構構造要求的同時還能夠有效完成短肢剪力墻包絡分析需求。

本工程項目根據中震彈性抗震性能化目標對框架剪力墻模型中的短肢剪力墻進行包絡分析，要求底部短肢剪力墻在中震彈性情況下能夠滿足受剪承載力與正截面承載力需求。

3.1 模型合理性判定

模型構建是否合理直接影響后續驗證數據是否可靠，是否與項目實際相符。因此在開展后續研究前需要對所建的模型進行合理性判定。在進行包絡分析的過程中，利用框架柱代替短肢剪力墻，從而將剪力墻模型轉化為框架剪力墻模型，在此過程中選用分縫措施，選用剛性單元將框架柱與墻體進行連接。在一定的水平力作用下，通過SATWE軟件對框架柱受力進行分析，研究其在該作用力下在整個結構中所分擔的地震傾覆力矩的比例，由此可以判斷軟件中所建立的框架剪力墻模型是否合理、是否可行。通過SATWE軟件對本文所選用的案例進行框架剪力墻模型合理性驗證，結果詳見圖2。

根據圖2可知，在一定水平力作用下，框架剪力墻模型中底層框架結構在X方向上所承擔的地震傾覆力矩占建筑整體模型所承受的地震傾覆力矩的28%，處于10%～50%之間，因此可以認為本項目利用框架柱替換短肢剪力墻所形成的框架剪力墻結構模型是合理的，可以對其開展進一步的研究。

3.2 框架剪力墻模型研究

3.2.1 振型與周期分析

首先對X方向平動、Y方向平動、Z方向扭轉質量參與系數以及相應的周期進行分析。具體詳見表1模態振型質量參與系數與周期。

從表1可知，所有X方向與Y方向上振型質量參與系數都大于90%。從表1前兩行可以看出，前面兩個振型結構構件主要是以平動為主，軟件分析發現第一扭轉周期與平動周期的比值均為0.646，第三振型主要以扭轉為主，而第一和第二振型以X與Y兩個方向的平動為主。第一扭轉周期與平動周期的比值可以被采用。

3.2.2 樓層剪力分析

利用SATWE軟件對X方向樓層剪力與Y方向樓層剪力進行分析，詳見圖3、圖4。同時，將50年一遇風荷載的1.1倍、中震、小震情況下X方向基底剪力與Y方向基底剪力計算結果匯總至表2。

從表2可知在框架剪力墻模型下，結構在遇到50年一遇風荷載的1.1倍荷載情況下基底X方向剪力為4 823.81 kN，基底Y方向剪力為15 195.49 kN；遇到中震荷載情況下基底X方向剪力為39 748.61 kN，基底Y方向剪力為41 475.96 kN；遇到小震荷載情況下基底X方向剪力為17 148.38 kN，基底Y方向剪力為1 7946.74 kN；剪力墻模型中結構在遇到50年一遇風荷載的1.1倍荷載情況下基底X方向剪力為5 041.63 kN，基底Y方向剪力為14 899.63 kN；遇到中震荷載情況下基底X方向剪力為39 339.38 kN，基底Y方向剪力為40 836.57 kN；遇到小震荷載情況下基底X方向剪力為17 123.87 kN，基底Y方向剪力為17 845.86 kN；可以看出剪力墻模型與框架剪力墻模型中基底剪力計算結果基本一致。

3.2.3 結構最大層間位移與層間位移角分析

利用SATWE軟件對框架剪力墻結構X方向及Y方向結構最大層間位移與層間位移角分別展開分析。結構最大層間位移分析結果詳見圖5以及表3結構最大層間位移匯總。

從表3可知在框架剪力墻模型下，結構在遇到50年一遇風荷載情況下X方向最大層間位移為11.81 mm，Y方向最大層間位移為73.02 mm；遇到小震荷載情況下X方向最大層間位移為51.93 mm，Y方向最大層間位移為81.47 mm；在剪力墻模型中，結構在遇到50年一遇風荷載情況下基底X方向最大層間位移為12.94 mm，Y方向最大層間位移為73.85 mm；遇到小震荷載情況下X方向最大層間位移為52.77 mm，Y方向最大層間位移為84.94 mm。兩組模型結構最大層間位移計算結果基本保持一致，且在框架剪力墻模型中小震情況下結構的最大層間位移為81.47 mm，在剪力墻模型下結構最大層間位移為84.94 mm。

層間位移角分析詳見圖6及表4最大層間位移角匯總。

從表4可知在框架剪力墻模型下，結構在遇到50年一遇風荷載情況下X方向最大層間位移角為1/9986，Y方向最大層間位移角為1/1213；遇到小震荷載情況下X方向最大層間位移角為1/2209，Y方向最大層間位移角為1/1215；在剪力墻模型中，結構在遇到50年一遇風荷載情況下X方向最大層間位移角為1/8674，Y方向最大層間位移角為1/1746；遇到小震荷載情況下X方向最大層間位移角為1/2461，Y方向最大層間位移角為1/1369。兩組模型結構最大層間位移角計算結果基本保持一致，且在框架剪力墻模型中小震情況下結構的最大層間位移角為1/1215，在剪力墻模型下結構最大層間位移角為1/1369，由此表明兩組模型在整個高度范圍內結構剛度沒有出現突變情況。

3.2.4 扭轉位移比

利用SATWE軟件對框架剪力墻結構X方向及Y方向結構扭轉位移比，即：層間最大水平位移與層間位移平均值的比值，在分析過程中需要對地震波所形成的水平作用力及偶然偏心作用力所產生的影響。分析結果詳見圖7、圖8。

根據上述分析可知，在框架剪力墻模型與剪力墻模型中考慮偶然偏心作用情況下扭轉位移比結果基本保持一致。除底部三層外，其余各層X方向與Y方向上樓層最大水平位移與層間位移平均值都不大于1.2。而底部三層Y方向扭轉位移比雖然大于1.2，但是并未超過1.4。因此可以說明該設計方案能夠滿足扭轉要求。

4 結論

通過一系列的研究分析，本文得出幾點結論：

（1）本文所選用的案例不僅僅是超高層建筑，還在多方面

超過的國家相應的規范標準，因此屬于超限工程項目。對于超限、超高層項目具有其自身許多獨特的性能。而根據建筑本身的特點制定科學合理的抗震性能化目標能夠有效的提高建筑的安全性，能夠使所設計的建筑結構構件抗震性能得到充分的發揮，可以避免過度設計造成的浪費，實現建筑設計的安全性、經濟性、合理性要求。因此本文對所選案例進行了超限情況評估，根據案例項目特定制定抗震性能化目標。

（2）利用SAWTE軟件對結構中震彈性、中震不屈、大震不屈進行研究分析，詳細分析結構構件以及整體性能在不同地震波影響下的反應情況，通過理論分析與數據論證，了解結構模型中抗震的薄弱環節。通過包絡性分析得出的結論對相應的構件選取合適的設計方式與加強措施，同時為下一階段超高層建筑設計提供新的研究思路。

參考文獻

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