某高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探討

師希望，林順青

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024；3.莆田市高速公路有限責(zé)任公司，福建 莆田 351100）

1 引言

近年來在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域涌現(xiàn)出了大量的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，其中最具代表性的且廣泛應(yīng)用于高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)果能較好地反映出高層建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，可進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析、時(shí)程分析等多種分析。

文章從分析研究的角度出發(fā)，以實(shí)際工程為背景采用PMCAD精確建模，利用SATWE分析并在驗(yàn)證了其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，以其計(jì)算結(jié)果為依據(jù)來探討高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系中設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shè)備用房及倉(cāng)庫(kù)，地上13層，頂層作為會(huì)議室，為滿足空間要求，結(jié)構(gòu)采用鋼框架；其中建筑高寬比H/B=2.52、長(zhǎng)寬比L/B=2.13均較為理想。該建筑地處7度抗震設(shè)防區(qū)，建筑場(chǎng)地類別為B類，建筑場(chǎng)地特征周期為0.45 s（按近震設(shè)計(jì)），基本風(fēng)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(nèi)剛度無窮大，樓、屋面均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

表1 結(jié)構(gòu)振型周期表

3 模型計(jì)算結(jié)果的分析

3.1 動(dòng)力特性

3.1.1 周期

計(jì)算結(jié)果見表1（由于篇幅的原因僅選取前5個(gè)振型的周期進(jìn)行分析）。

根據(jù)結(jié)構(gòu)周期的經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)算此模型的周期基本符合要求，但從振型參與系數(shù)可以看出第一、二、四、五周期基本為平動(dòng)周期，其中第一、五周期為Y向平動(dòng)周期，第二、四周期為X向的平動(dòng)周期。第三周期平動(dòng)成分較小，扭轉(zhuǎn)成分較大。從這一結(jié)果可以看出本工程整體剛度很好。

根據(jù)“高規(guī)”第4.3.5規(guī)定，“結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與結(jié)構(gòu)平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85”，從而可以看出建筑的扭轉(zhuǎn)比符合規(guī)范要求。

3.1.2 振型

SATWE軟件采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。根據(jù)“高規(guī)”第5.1.13條第二款規(guī)定，抗震計(jì)算是宜考慮平扭藕聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不小于15，對(duì)多塔結(jié)構(gòu)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%。

X，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)計(jì)算結(jié)果：X向地震有效質(zhì)量系數(shù)99.78%；Y向地震有效質(zhì)量系數(shù)99.50%。由以上規(guī)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(dòng)，說明結(jié)構(gòu)X方向剛度相對(duì)于Y方向較弱，從振型圖中大致看出此結(jié)構(gòu)體系有利于結(jié)構(gòu)抗震，結(jié)構(gòu)振型圖見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)振型圖

3.2 變形特性

新“高規(guī)”的4.3.5條規(guī)定，高層建筑的樓層豎向構(gòu)件最大水平位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍；對(duì)于層間位移角，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍，B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑，不應(yīng)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(fēng)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(duì)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(jié)構(gòu)加層，下面數(shù)層是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩者的阻尼比等設(shè)計(jì)參數(shù)差別較大，層高比較高，呈現(xiàn)出“上柔下剛”的受力機(jī)制，勢(shì)必在地震作用下會(huì)出現(xiàn)這樣的變形狀態(tài)，但是還是符合“高規(guī)”的相關(guān)規(guī)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(fēng)荷載作用下最大樓層位移圖

圖5 風(fēng)荷載作用下最大層間位移角

3.3 內(nèi)力特性

本工程地下室框架柱抗震等級(jí)為3級(jí)，剪力墻為4級(jí)。按照規(guī)范，二級(jí)要求軸壓比小于等于0.6。筆者根據(jù)本結(jié)構(gòu)模型的底層柱、剪力墻的最大組合內(nèi)力簡(jiǎn)圖（見圖6）計(jì)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(fā)揮其力學(xué)性能，究其原因主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守。

圖6 底層柱、墻最大組合內(nèi)力簡(jiǎn)圖

4 結(jié)束語

通過對(duì)本模型計(jì)算結(jié)果的分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力特性有了一個(gè)全面的了解，下面筆者將通過對(duì)結(jié)構(gòu)性能的分析對(duì)此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)作一個(gè)評(píng)價(jià)。

4.1 動(dòng)力特性

從結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果可以看出，本結(jié)構(gòu)自振周期比高層結(jié)構(gòu)周期經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果要小，說明結(jié)構(gòu)剛度偏大。由樓層質(zhì)點(diǎn)的振型圖可以看出，結(jié)構(gòu)的前4階振型圖較光滑，只是在地震作用時(shí)在第八周期結(jié)構(gòu)振型圖有拐點(diǎn)（擺幅較大），說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是基本規(guī)則，滿足“高規(guī)”的相關(guān)規(guī)定。

4.2 結(jié)構(gòu)變形

高層建筑中為了保證結(jié)構(gòu)具有較大剛度，應(yīng)對(duì)層間位移加以控制，這個(gè)控制實(shí)際上是構(gòu)件截面大小、剛度大小的一個(gè)相對(duì)指標(biāo)。

層間位移角的限制卻不包括建筑整體彎曲產(chǎn)生的水平位移，要求較寬松，顯然層間位移是與結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度緊密聯(lián)系的，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度主要是由剪力墻產(chǎn)生的，而剪力墻的多少又直接與混凝土和鋼筋的用量相關(guān)，所以對(duì)位移進(jìn)行控制就間接控制結(jié)構(gòu)的造價(jià)，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性是在綜合考慮各個(gè)控制因素的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)作出的功能與造價(jià)的最優(yōu)比。

本結(jié)構(gòu)模型的頂點(diǎn)位移變形比較大，筆者分析有兩個(gè)原因：①鞭梢效應(yīng)的影響；②頂層采用鋼結(jié)構(gòu)且層高較大，在地震作用下柔性較大，但小于“高規(guī)”的限值。說明原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度適中，基本發(fā)揮結(jié)構(gòu)的變形能力，設(shè)計(jì)基本合理、經(jīng)濟(jì)，但最大層間位移角均發(fā)生在地震作用下時(shí)，說明其控制作用的是地震的影響，進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)將地震考慮成影響結(jié)構(gòu)性能的主要因素。

4.3 內(nèi)力特性

本結(jié)構(gòu)的剪力墻抗震等級(jí)如果加大的話其限值可能更大，說明該結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)沒發(fā)揮剪力墻的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)偏于保守，需要重新布置剪力墻優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系。

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010-2002），中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]周廣強(qiáng).高層建筑鋼筋混凝土剪力墻滯回關(guān)系及性能研究.同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文[D]，2004年.

[5]趙玉祥.鋼筋混凝土高層建筑設(shè)計(jì)中若干問題的探討.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1998，19（2）.

[6]張暉，楊聯(lián)萍凋文星.鋼筋混凝土超高層建筑層間位移限值的探討.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999年第6期.

[7]秦力，程志輝，宋玉普.中高層異性柱框—剪結(jié)構(gòu)的剪力墻抗側(cè)移剛度優(yōu)化分析.四川建筑科學(xué).2005.6.

[8]王法武，唐敢腸杰.高層框架及剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移優(yōu)化設(shè)計(jì)工業(yè)建筑.2006.6.

[9]容柏生.高層住宅建筑中的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，18（6）：14-19.

[10]PKPM系列多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)SATWE（R）.北京：中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部，2005.