多種結構形式住宅抗震性能對比

曹素卿

(河北聯(lián)合大學建筑工程學院，河北唐山 063009)

0 引言

隨著人們生活水平步入小康，對居住空間的要求有了很大的改變。人們不但要求得到盡量多的空間及提高空間利用的有效率，對居住空間的自由組織也要能表現(xiàn)個性化，而且在空間的舒適性、安全性、美觀及經(jīng)濟上都提出很高的要求。這樣住宅結構中就出現(xiàn)了異形柱框架結構新體系。這類結構將建筑美觀和使用功能的靈活性有機的結合在一起，為用戶提供了理想的居住環(huán)境。但是，隨著樓層數(shù)的增加，異型柱純框架結構的抗側剛度、樓層位移便不能滿足規(guī)范要求。為了將異型柱用于小高層住宅結構中(10～15層)，同時為了增大結構抗側剛度，需要設置剪力墻。這樣，便形成了異型柱框—剪結構體系。目前，鋼筋混凝土異型柱框架結構體系和剪力墻結構體系缺乏震害實測資料和全面系統(tǒng)的抗震性能研究，需要深入研究。

1 分析方法

近幾年來，國內(nèi)外學者相繼提出了在抗震設計中采用彈塑性靜力分析方法的觀點，水平地震作用下的彈塑性靜力分析方法又稱為推倒分析(Push－over analysis)［1］。推倒分析主要用于確定結構的非彈性效應、局部破壞機制和整體倒塌的形成方式。該方法既保證結構分析的結果具有一定的代表性，又相對簡便易行，設計者能夠相對主動地把握結構的抗側能力、所需位移延性、塑性鉸出現(xiàn)位置等。因此在實際工程中也得到了不同程度的應用。各國研究者也都在建立這種抗震設計分析方法并編制相應的計算機程序［2］。

結構推倒分析中，在每一結構構件根據(jù)其尺寸、配筋、材料性能及受力特征確定出它們的力－變形彈塑性關系之后，在結構上施加某種分布的水平力，并逐漸增加使結構構件依次進入塑性階段。直到結構的耗能機制形成或者在耗能機制形成過程中某一塑性鉸達到其臨界極限狀態(tài)，或結構達到給定的側移極限時，才結束結構推倒分析全過程［3］。通過推倒分析，設計人員可以了解結構中每一構件屈服后的變形特征，考慮各構件出鉸的先后次序與它們承載力之間的相互關系，以檢查是否符合所期望的耗能機制，并發(fā)現(xiàn)第一次設計結構的薄弱部位，從而可對原有設計作調(diào)整和改進后，增加結構的抗震能力。

2 計算模型

為便于進行參數(shù)分析，本文所有的計算采用統(tǒng)一的結構平面，按一個結構標準層設計，即各層柱、梁截面及現(xiàn)澆板厚均相同，板厚為100;梁、板、柱混凝土強度等級也均相同，樓層數(shù)為八層和十一層，標準層層高3.0，標準層建筑面積540m2。本工程來自合肥某住宅小區(qū)。

3 結構分析

3.1 多層結構體系比較

該住宅結構六層，層高2.9m，總高17.4m。II類場地，8度設防，近震。混凝土標號均為C25，受力鋼筋II級，設計強度310N/mm2;箍筋為I級，設計強度210N/mm2。另有普通框架一榀，其結構建筑平面、立面及層高與異形柱框架相同，柱網(wǎng)一致，豎向構件布置節(jié)點與異形柱框架基本一致。本工程來自合肥某住宅小區(qū)。

表1 振動周期比較

通過表1研究分析表明:(1)矩形柱結構與異型柱結構，第l～9階振型，幾乎相同。(2)異型柱在x、Y的側向剛度均大于矩形柱。(3)分析表明，用等截面異型柱代替矩形柱后，純框結構的第一、第二、第三振動周期都有所減小。

算例的底部剪力－頂點位移曲線如圖1。從圖中可以看出異形柱框架的頂點水平位移比普通框架的僅大6%，異形柱框架的底部剪力比普通框架的僅小5.7%。所以雖然兩者的曲線有一定的差異，但在整體上看還是一致的。

圖1 底部剪力—位移曲線

3.2 高層結構體系比較

表2 各結構體系振動周期比較

分析表明，普通剪力墻結構、短肢剪力墻結構和異形柱剪力墻結構的振動周期逐漸增大 ，表明結構的抗側剛度相應減小;降低墻肢高度減小了結構的剛度。異形柱剪力墻結構比普通剪力墻結構前三階周期平均增大了約14.94%，比短肢剪力墻結構增大了約9.19%，而短肢剪力墻結構比普通剪力墻結構前三階周期平均增大了約5.27%。前三階周期在體系振動中起主要作用。

表3 各結構體系樓層地震反應力

如表3所示，在水平地震作用下，1至11層平均來說，四種結構形式之間，樓層地震反應力最大與最小之間，相差不超過10%。

普通剪力墻結構、短肢剪力墻結構和異形柱剪力墻結構的最大層間剪力分別為2663.82kN、2613.67kN、2856.68kN;最大彎矩依次為67.204 kN·m、49.822 kN·m、54.666 kN·m?？梢钥闯?，普通剪力墻結構的層間剪力和彎矩最大，短肢剪力墻結構和異形柱剪力墻結構次之。由此說明降低墻肢高度可以減小地震作用，減少地震對結構的影響。

4 結論

異型柱與等截面積矩形柱純框架結構體系抗震性能對比。異型柱取代矩形柱后，結構側向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度明顯增大，結構周期變小。異型柱框架結構的第一、第二、第三振動周期比矩形柱框架結構平均減小8.2%、6.8%和8.1%。異型柱框架結構樓層地震反應力大于對應的矩形柱框架結構。與矩形柱框架結構相比異型柱框架結構的頂點位移有所增大，但是在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

通過對異型柱框－剪、短肢剪力墻及全剪力墻結構三種結構的性能對比分析，說明在相同的條件下，短肢剪力墻更具技術經(jīng)濟優(yōu)勢。與普通剪力墻結構相比，短肢剪力墻結構最大限度的降低了結構自重，結構剛度小，所以其振動周期較長;短肢剪力墻結構的地震作用效應較小，層間剪力和彎矩小，材料充分發(fā)揮了其力學性能，結構具有較大的延性，有利于抗震，水平側移和層間角位移大，但均滿足規(guī)范要求。與異形柱剪力墻結構相比，短肢剪力墻結構剛度大，振動周期較長;水平側移和層間角位移小，抗震性能更好，各個參數(shù)均能滿足規(guī)范的要求。

［1］肖建莊等.異型柱框架結構抗震設計研究［J］.地震工程與工程振動，2002(4):15-19.

［2］A.M.Mwafy，A.S.Elnashai.Stastic push － over versus dynamic collapse analysis of RC buildings.Engineering Structures，2001(23):407-424.

［3］葉獻國等.Push－over方法與循環(huán)往復加載分析的研究［J］.合肥工業(yè)大學學報，2001(12):26-28.