剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在高層建筑中應(yīng)用

梁杵興

摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)度大、鋼用量較少、整體性好、在室內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無露梁及露柱、美觀外形等優(yōu)點，在建筑中應(yīng)用越來越廣泛。本文以某小區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)為例，分別對剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比得到了普遍的改善，以供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；剪力墻

1、工程概況

廣州市某住宅小區(qū)，地上18層結(jié)構(gòu)為純剪力墻結(jié)構(gòu)，地下一層，建筑高度為53.5m，項目總建筑面積約為7746.4m2。地下室層高為3.6m，其余層高均為3.0m。室內(nèi)外高差300mm。本工程項目以50年作為基準(zhǔn)期，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，場地類別屬三類。7 度設(shè)防，地震加速度為0.10g，地震分組為第一組，水平地震影響系數(shù)0.08，特征周期為0.45。本工程為總高度54m 剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于A 級高度房屋，剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級是三級。

2、設(shè)計參數(shù)選取

設(shè)計參數(shù)正確選取直接影響結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性，為使目標(biāo)計算模型最大限度模擬實際工程真實情況，對軟件中要進(jìn)行輸入各類參數(shù)精確，依據(jù)最新規(guī)范根源出處進(jìn)行設(shè)置，SATWE 計算結(jié)果有效性是建立在計算參數(shù)正確合理性基礎(chǔ)上，重要參數(shù)最大地震作用方向，本工程該數(shù)值小于15；振型組合數(shù)15；結(jié)構(gòu)基本周期，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計前不能預(yù)先確定，利用軟件中缺省值進(jìn)行試算；周期折減系數(shù)，結(jié)合非承重墻體布置數(shù)量，周期折減系數(shù)取為規(guī)范推薦值0.9；連梁折減系數(shù)0.7；連梁折減系數(shù)，梁剛度放大系數(shù)在1.0-2.0 區(qū)間內(nèi)自由取值。SATWE 計算軟件自動判斷中梁及邊梁并加以區(qū)分，對符合要求中梁剛度進(jìn)行放大，程序會自動計算。

3、優(yōu)化前后方案整體性能對比

3.1 結(jié)構(gòu)模型對比為得到較好研究效果，本文設(shè)計兩個結(jié)構(gòu)方案均滿足規(guī)范。根據(jù)上文總結(jié)對剪力墻數(shù)量和布置優(yōu)化理論和方法，對第一個結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)剪力墻“對稱、金角銀邊、均勾、分散”優(yōu)化原則，剪力墻布置在角部對結(jié)構(gòu)最優(yōu)，其次是周邊，對墻梁板截面尺寸及位置，軟件計算參數(shù)等多方個方面對該方案進(jìn)行優(yōu)化。保留剛度變化位置、樓梯間、電梯間、角部周邊部分有利于結(jié)構(gòu)部分剪力墻，將剪力墻墻肢盡量做成工型、T 型，削弱結(jié)構(gòu)中心部分墻肢剛度，適當(dāng)調(diào)整部分剪力墻墻肢長度，將優(yōu)化后各構(gòu)件及布置整合而成為優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型。

3.2 結(jié)構(gòu)動力特性分析

3.2.1 周期經(jīng)過SATWE 有限元計算后檢查計算結(jié)果合理性后，從文本文件輸出中“周期振型地震力”項目中找到兩個模型周期數(shù)值，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)可以看出優(yōu)化前結(jié)構(gòu)周期均處于0.0432-1.2359 范圍內(nèi)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)周期均處于0.0621-1.6367 范圍內(nèi)，在各個陣型工況下經(jīng)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)周期較之前周期普遍得到延長。針對于結(jié)構(gòu)平動系數(shù)，優(yōu)化前方案結(jié)構(gòu)屬于單一方向純平動情況很少，推定結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)振動情況均己調(diào)整為純X 方向或純Y 方向平動，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較弱。優(yōu)化后模型振動明顯優(yōu)于前者。

3.2.2 振型根據(jù)振型分解反應(yīng)譜法計算出兩模型結(jié)果如下：原模型X 向有效質(zhì)量系數(shù)為99.50%，Y 向有效質(zhì)量系數(shù)為99.50%；優(yōu)化后模型X 向有效質(zhì)量系數(shù)為99.50%，Y 向有效質(zhì)量系數(shù)為99.50%；優(yōu)化前后模型有效質(zhì)量系數(shù)均滿足規(guī)范要求。本文取結(jié)構(gòu)前6 個有代表性的振型進(jìn)行疊加得到結(jié)構(gòu)質(zhì)心振動簡圖，對于優(yōu)化前投影陣型，兩個方向擺動幅度與大致圖形相似，但Y 方向投影陣型與X 方向投影陣型相比更為收斂；對于優(yōu)化后投影陣型，兩個方向擺動幅度與大致圖形相似度極高，兩方向投影陣型比較收斂。兩模型在兩個方向剛度相差不大，但優(yōu)化前模型與優(yōu)化后模型振動相比陣型更加發(fā)散，判斷優(yōu)化后結(jié)構(gòu)更利于抗震。

3.3 結(jié)構(gòu)變形特性分析

3.3.1 層間位移角在SATWE 計算結(jié)果文本文件中，對各種工況作用下層間位移角數(shù)據(jù)均有顯示，在風(fēng)荷載及地震作用工況下進(jìn)行優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)層間位移角，風(fēng)荷載工況下本結(jié)構(gòu)X 方向?qū)娱g位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Y 方向?qū)娱g位移角；地震工況下引起層間位移角數(shù)值都比較接近，說明兩方向剛度分配合理。風(fēng)荷載作用下最大層間位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震作用下層間位移角，兩模型都是在地震作用下工況下出現(xiàn)最大層間位移角，說明在本工程中地震作用是結(jié)構(gòu)性能明顯控制變量。地震工況下原模型在兩個方向最大層間位移角分別為1/1689 和1/1586，與規(guī)范給出層間位移角限值1/1000 存在差距，說明整體剛度偏大，安全儲備過多。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)地震工況下兩方向最大層間位移角分別為1/1324 及1/1221，相對于優(yōu)化前模型數(shù)值有所增加，滿足規(guī)范要求。

3.3.2 位移比根據(jù)規(guī)范要求，本工程位移比不宜超過1.2。位移比能有效保證結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，使結(jié)構(gòu)可以避免扭轉(zhuǎn)。兩模型數(shù)值都在1.06-1.22 范圍內(nèi)，最大位移比均滿足規(guī)范上限1.5 要求。優(yōu)化前模型在XY 兩個方向最大位移比存在一定差距，優(yōu)化后模型兩個方向位移比基本相同且己控制在1.2 范圍內(nèi)，表明經(jīng)過優(yōu)化后結(jié)構(gòu)平面較優(yōu)化前規(guī)則性更強。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力特性分析

3.4.1 墻肢軸壓比SATWE 軟件采用數(shù)學(xué)微元法進(jìn)行處理計算，將全部不規(guī)則墻肢切割為無數(shù)矩形微元墻段，對各矩形截面軸壓比進(jìn)行計算，對所有結(jié)果進(jìn)行微分求解其總體墻軸壓比。

本工程剪力墻為三級抗震墻，剪力墻墻肢軸壓比限值為0.6，本文選取優(yōu)化前模型和優(yōu)化后模型結(jié)構(gòu)最底層軸壓比進(jìn)行比較，前者各墻肢軸壓比均在0.20-0.45 范圍間，優(yōu)化后者墻肢軸壓比控制在0.33-0.60 范圍間，滿足規(guī)范要求，可以達(dá)到預(yù)期延性破壞。

3.4.2 層間內(nèi)力分析分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力前對比結(jié)構(gòu)各樓層單位面積質(zhì)量分布。結(jié)構(gòu)總計算內(nèi)力包括荷載作用下內(nèi)力計算和在地震工況下內(nèi)力計算，內(nèi)力大小直接影響計算配筋大小，影響構(gòu)件控制截面及混凝土強度。實現(xiàn)延性剪力墻強墻弱梁、強剪弱彎設(shè)計原則。結(jié)構(gòu)在地震作用下層間剪力和彎矩值進(jìn)行統(tǒng)計。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)總重量減輕且都處在規(guī)范的推薦值之內(nèi)，對結(jié)構(gòu)性能很有利。結(jié)構(gòu)重量減輕會直接減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算配筋，同時還能降低結(jié)構(gòu)地震力，可見結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成效好。

4、結(jié)論

在結(jié)構(gòu)動力特性方面，通過對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)自振周期對比可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期比規(guī)范上周期經(jīng)驗公式計算所得結(jié)果小，說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏大。結(jié)構(gòu)在兩個方向上平動周期不接近時，說明結(jié)構(gòu)XY 向剛度存在一定差異，需要進(jìn)行修改。在滿足規(guī)范前提下通過減少部分剪力墻使剛度降低，結(jié)構(gòu)增大周期。本工程最大層間位移角影發(fā)生在地震作用下，說明地震對7 度區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)性能起控制作用。在結(jié)構(gòu)內(nèi)力特性方面，如結(jié)構(gòu)軸壓比與規(guī)范限制偏差較大時，說明結(jié)構(gòu)沒有充分發(fā)揮剪力墻力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)軸壓比越接近于規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)越經(jīng)濟(jì)。

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