復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體住宅的抗震性能研究

余興華

(河南工程學(xué)院土木工程系，河南鄭州 451191)

復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體住宅的抗震性能研究

余興華

(河南工程學(xué)院土木工程系，河南鄭州 451191)

在不同烈度地震作用下，針對(duì)某一復(fù)合結(jié)構(gòu)體系住宅模型進(jìn)行了承載能力分析，對(duì)幾種烈度地震作用下的振型進(jìn)行研究，為復(fù)合結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)及適用范圍提供了參考.

新型結(jié)構(gòu)體系;抗震性能;復(fù)合結(jié)構(gòu)

復(fù)合結(jié)構(gòu)是由鋼筋混凝土柔性梁柱和鋼筋混凝土人字支撐(截面尺寸小于梁柱)組成的人字支撐新型結(jié)構(gòu)，代替原多層住宅中的黏土磚承重墻.

1 復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體的一般構(gòu)造

1.1 柔性梁柱加支撐的墻體

復(fù)合結(jié)構(gòu)合理的柱截面為250 mm×250 mm，優(yōu)化的支撐截面寬為120 mm［1］，如圖1所示.因此，可使用厚度為60 mm的2塊輕質(zhì)墻板將復(fù)合結(jié)構(gòu)的支撐夾在中間作為墻體材料.同時(shí)，為了滿足目前住宅墻體的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)需要，在墻板之間加入保溫材料.

圖1 人字支撐復(fù)合結(jié)構(gòu)

1.2 不加支撐的墻體

作為住宅縱向墻體，主要滿足照明、通風(fēng)、交通等要求，因此，需開較大的門窗洞口，通常設(shè)計(jì)為非承重結(jié)構(gòu)，僅采用梁柱結(jié)構(gòu)而不加支撐.所以，其墻體既可以選擇輕質(zhì)墻板，也可以選擇混凝土加氣塊或粉煤灰空心砌塊等材料.

由文獻(xiàn)［1－4］可知，在所加支撐的幫助下，梁柱在豎向荷載作用下的內(nèi)力較梁柱結(jié)構(gòu)大大減小;而在地震作用下，支撐起主要的抗側(cè)、抗震作用，使復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿足住宅結(jié)構(gòu)承載力和使用要求，以上主要針對(duì)單榀的復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體.復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體住宅整體的抗震性能是將其用于實(shí)際工程之前必須研究的內(nèi)容.筆者采用工程常用軟件PKPM，通過(guò)對(duì)不同抗震設(shè)防烈度下復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體住宅模型進(jìn)行計(jì)算、分析，研究復(fù)合結(jié)構(gòu)墻體住宅的抗震性能.

2 不同抗震設(shè)防烈度時(shí)承載能力分析

以萊鋼櫻花園4#樓［5］1個(gè)單元為研究對(duì)象，以復(fù)合結(jié)構(gòu)作為承重橫墻，以不加支撐的框架作為縱向墻體，采用預(yù)應(yīng)力預(yù)制樓板，共6層，層高為2.9 m，建立PKPM計(jì)算模型，以縱向墻體方向?yàn)閄方向，沿承重橫墻方向?yàn)閅方向建立坐標(biāo)系.基本風(fēng)壓設(shè)定為0.45 kN/m2.

2.1 柱承載能力

應(yīng)用所建立的PKPM模型，通過(guò)調(diào)整抗震設(shè)防烈度，分別計(jì)算出該模型在不同設(shè)防烈度時(shí)柱子的承載力.圖 2—4分別為抗震設(shè)防烈度為 7度(0.15 g)、8 度(0.2 g)及 8 度(0.3 g)時(shí)該建筑第1層的柱子軸壓比與有效長(zhǎng)度系數(shù).

由圖2—4可知，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)和8度(0.2 g)時(shí)，柱子的軸壓比均未超過(guò)0.9，符合規(guī)范的要求.但抗震設(shè)防烈度為8度(0.2 g)較7度(0.15 g)設(shè)防時(shí)軸壓比均有所提高.設(shè)防烈度為8度(0.3 g)時(shí)，與設(shè)防烈度為 8 度(0.2 g)相比，4根邊柱的軸壓比超過(guò)限值0.9，不滿足承載力的要求.但可以通過(guò)增大這些邊柱的截面尺寸或混凝土強(qiáng)度等級(jí)來(lái)減小軸壓比.

2.2 支撐承載能力

同2.1節(jié)研究方法，通過(guò)調(diào)整設(shè)防烈度分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后調(diào)取支撐內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果.結(jié)果顯示，圖2所示位置的支撐19及27內(nèi)力最大，表1—3分別為抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)、8度(0.2 g)及8度(0.3 g)時(shí)該建筑第1層內(nèi)力最大支撐在各荷載工況下的內(nèi)力.

表1 設(shè)防烈度為7度(0.15 g)時(shí)支撐19及27在各荷載工況下的內(nèi)力

表2 設(shè)防烈度為8度(0.2 g)時(shí)支撐19及27在各荷載工況下的內(nèi)力

表3 設(shè)防烈度為8度(0.3 g)時(shí)支撐19及27在各荷載工況下的內(nèi)力

柱距大的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其支撐的長(zhǎng)細(xì)比大，支撐受壓承載力小.計(jì)算模型中，梁柱復(fù)合結(jié)構(gòu)2柱之間最大距離為4.5 m，其支撐的受壓承載力計(jì)算公式為

式中:φ為穩(wěn)定系數(shù);fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b，h分別為支撐截面寬度及高度.

由公式(1)計(jì)算得到支撐的受壓承載力為156.8 kN.抗震設(shè)防烈度為 7 度(0.15 g)、8 度(0.2 g)以及8度(0.3 g)時(shí)該支撐的軸壓力分別為113.8 kN，132.1 kN 及167.8 kN.顯然，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)及8度(0.2 g)時(shí)，該支撐的軸壓力均小于支撐的受壓承載力，滿足要求;8度(0.3 g)設(shè)防時(shí)，支撐承載力不滿足要求.

通過(guò)調(diào)取計(jì)算結(jié)果，得到內(nèi)力最大的支撐19及27在抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)及8度(0.2 g)時(shí)的配筋，見表4.根據(jù)表4配筋結(jié)果可得，該支撐截面需配置4φ12(452 mm2).縱向鋼筋配筋率計(jì)算公式為

式中:A's為縱向鋼筋截面面積;b，h分別為支撐截面寬度及高度.

由公式(2)計(jì)算得到該支撐面縱向鋼筋配筋率為3.1%，大于最小配筋率 ρ'min(0.5%)，小于最大配筋率 ρ'max(5%)，滿足規(guī)范要求［6］.

表4 支撐19及27配筋

2.3 樓層抗剪承載力

同2.1節(jié)研究方法，通過(guò)調(diào)整設(shè)防烈度分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后調(diào)取最大樓層剪力計(jì)算結(jié)果.圖5及圖6分別為抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)及8度(0.2 g)時(shí)X向和Y向最大樓層剪力曲線.X向與Y向最大樓層剪力均出現(xiàn)在一層，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)時(shí)，X向和 Y向最大剪力分別為479.5 kN及1 033.2 kN.設(shè)防烈度為 8 度(0.2 g)時(shí)，分別為639.3 kN 及1 377.6 kN.

該建筑樓層受剪承載力可以按照僅配置箍筋的矩形截面的斜截面受剪承載力進(jìn)行計(jì)算［6］，公式為

式中:Vcs為構(gòu)件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承載力設(shè)計(jì)值;ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b為截面寬度;h0為截面有效高度;Asv為箍筋截面面積;s為箍筋間距;fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值.

該模型采用C30混凝土，截面尺寸為250 mm×250 mm，箍筋直徑φ10@200，由公式(3)計(jì)算得到構(gòu)件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承載力設(shè)計(jì)值Vcs為79.488 kN，模型共有32根柱子，其總抗剪承載力為 2 543.616 kN，大于 7度(0.15 g)及 8度(0.2 g)設(shè)防時(shí)X向和Y向的最大樓層剪力.因此，該建筑樓層抗剪承載能力滿足要求.

3 振型分析

以抗震設(shè)防烈度為7度(0.15 g)地震作用下為例，進(jìn)行住宅結(jié)構(gòu)的振型分析.

3.1 1個(gè)單元住宅結(jié)構(gòu)的振型

圖7為該住宅1個(gè)單元前5個(gè)振型疊加的質(zhì)心振動(dòng)簡(jiǎn)圖，由圖可知，第1—3振型發(fā)生的方向均為X(與新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體系垂直)方向;第4振型為Y(新型復(fù)合結(jié)構(gòu))方向，第5振型發(fā)生在X方向.

由圖7可知，X方向的剛度遠(yuǎn)小于Y方向的剛度，其根本原因是Y方向布置的是新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，支撐不僅可以減少框架梁柱的內(nèi)力，還可以大幅度提高沿本身方向的剛度.為了改善縱向剛度，使房屋沿2個(gè)方向的剛度接近，在不影響使用的情況下，在沿X方向的框架結(jié)構(gòu)上加設(shè)支撐，或沿X方向增加單元數(shù).

圖7 1個(gè)單元前5個(gè)振型疊加的質(zhì)心振動(dòng)簡(jiǎn)圖

3.2 3個(gè)單元住宅結(jié)構(gòu)的振型

圖8為3個(gè)單元時(shí)前5個(gè)振型疊加的質(zhì)心振動(dòng)簡(jiǎn)圖.由圖可知，3個(gè)單元時(shí)，第1，2振型均發(fā)生在X方向;第3，4振型發(fā)生在Y方向;第5振型發(fā)生在X方向.和1個(gè)計(jì)算單元相比，3個(gè)單元模型沿X方向的剛度有所加強(qiáng)，和Y方向的剛度更加接近.

3.3 1個(gè)單元住宅結(jié)構(gòu)沿X方向部分框架加設(shè)支撐的振型

圖9為1個(gè)單元的住宅結(jié)構(gòu)沿X方向部分框架內(nèi)加設(shè)7道支撐時(shí)，前5個(gè)振型疊加的質(zhì)心振動(dòng)簡(jiǎn)圖.

由圖9可知，在X方向部分框架內(nèi)加設(shè)支撐時(shí)，第1振型發(fā)生在X方向，第2振型發(fā)生在Y方向，第3振型發(fā)生在X方向，第4振型發(fā)生在X方向，第5振型發(fā)生在Y方向.

因此，通過(guò)沿X方向加設(shè)支撐，可以大幅度地提高X方向的剛度，進(jìn)行房屋設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要計(jì)算確定.

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用PKPM軟件對(duì)新型復(fù)合結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，抗震設(shè)防烈度對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)影響較大.經(jīng)分析，柱截面為250 mm×250 mm，支撐截面寬度為120 mm的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系住宅，在設(shè)防烈度為7度(0.15 g)和8度(0.2 g)時(shí)，承載力滿足要求;設(shè)防烈度為8度(0.3 g)時(shí)，部分柱及支撐出現(xiàn)軸壓比超限，可通過(guò)增加截面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的方法達(dá)到要求.

2)由振型分析可知，新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體系由于支撐的作用，沿自身方向的剛度大大提高.為了使新型復(fù)合結(jié)構(gòu)體系住宅沿X方向及Y方向的剛度平衡，可根據(jù)需要在適當(dāng)?shù)奈恢眉釉O(shè)支撐或沿剛度弱的方向增加單元數(shù).

［1］王新玲，曹雙寅.多層住宅復(fù)合結(jié)構(gòu)的Pushover分析及支撐優(yōu)化［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(增刊):30－35.

［2］王新玲，李海明，楊廣寧.多層住宅復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)選型分析［J］.工業(yè)建筑，2005，35(1):37 －39.

［3］王新玲，張海東.多層住宅復(fù)合結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的試驗(yàn)分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2005，26(4):5－8.

［4］王新玲，趙更歧，張海東.多層住宅復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39(8):51 －56.

［5］曲成平.H型鋼鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能住宅建筑體系的綜合評(píng)價(jià)［D］.重慶:重慶大學(xué)建設(shè)管理與房地產(chǎn)學(xué)院，2004.

［6］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

Seismic Performance Study on Residential Buildings Made of Composite Structures

YU Xing-hua
(College of Civil Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191，China)

Aiming at a residential building model made of composite structures，the carrying capacity in different seismic intensity was analyzed，and the mode of vibration under the action of earthquake in some intensity was studied，which would provide the reference for the design and the applicable scope of residential buildings made of composite structures.

new structural system;seismic performance;composite structure

1002－5634(2011)05－0066－05

2011－05－15

河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(511050400).

余興華(1979—)，男，河南信陽(yáng)人，助教，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究.

(責(zé)任編輯:喬翠平)