高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻合理布置的研究

李炎，王德玲

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

?

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻合理布置的研究

李炎，王德玲

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為了合理地在剪力墻結(jié)構(gòu)中布置剪力墻，以使結(jié)構(gòu)更加安全經(jīng)濟，結(jié)合實際工程對其結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置進行設(shè)計調(diào)整，得出3種方案，并利用有限元軟件SATWE進行建模計算分析。對比方案調(diào)整前后的差異探討不同剪力墻布置方案對結(jié)構(gòu)性能的影響，從而得出合理布置剪力墻的思路和方法。通過加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻、翼緣長度以及增加部分剪力墻的翼緣，同時適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分剪力墻的長度，刪除結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分及電梯井筒附近布置較多的墻體，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭能力能得到有效提高，結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性更好。此外還能較大程度上節(jié)省材料用量，節(jié)約工程成本，可對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)安全性的提高和工程造價的控制起到一定的指導(dǎo)作用。

高層建筑；剪力墻；合理布置；動力特性；變形特性

剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑主要結(jié)構(gòu)體系之一，特別是高層住宅結(jié)構(gòu)。但如何合理、經(jīng)濟、有效布置剪力墻是工程設(shè)計人員面臨的主要問題，也是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)師設(shè)計水平的重要標(biāo)志。目前規(guī)范對結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置沒有具體統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，工程設(shè)計人員往往根據(jù)自己的經(jīng)驗進行布置，可能達不到合理、經(jīng)濟、有效的效果。因此，如何找到一種行之有效的方法做到經(jīng)濟有效布置剪力墻就顯得尤為重要。根據(jù)實際工程，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，采用不同的剪力墻布置方案，通過分析不同結(jié)構(gòu)布置方案下的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，得到了更為合理的結(jié)構(gòu)布置方案和原則，對工程設(shè)計有一定的實際應(yīng)用價值。

1 工程實例

1.1 工程概況

荊州市某高層住宅建筑結(jié)構(gòu)體系為純剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物平面尺寸為37m×23.5m，建筑總面積為15440.36m2，地下1層，地上16 層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.9m，建筑總高度為46.65m。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，剪力墻抗震等級為四級。該地區(qū)工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B類[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)模型的描述

結(jié)合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般規(guī)定，對結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置進行優(yōu)化調(diào)整：

第一，采用工程原建筑結(jié)構(gòu)施工圖的計算模型作為剪力墻的布置方案一；

第二，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用，增強結(jié)構(gòu)剛度，按照“連續(xù)、周邊、對稱”的原則，在方案一的基礎(chǔ)上加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置，即增加周邊部分墻體或其翼緣長度，適當(dāng)增添部分墻體的翼緣，得出方案二；

第三，滿足結(jié)構(gòu)安全性的條件下節(jié)約工程造價，在方案二的基礎(chǔ)上通過減小、刪除結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分剪力墻，刪除部分電梯井筒附近布置較多的剪力墻，得出方案三。

根據(jù)上述3種方案建立3種結(jié)構(gòu)模型，采用有限元軟件SATWE進行計算分析，通過對比分析3種結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)力特性、變形特性和動力特性的變化特征，研究剪力墻數(shù)量和位置上的變化對結(jié)構(gòu)性能的影響，從而做出剪力墻是否合理布置的判斷[1，2]。

結(jié)構(gòu)方案一：采用工程原建筑結(jié)構(gòu)施工圖作為剪力墻平面布置圖，如圖1所示。

圖1 方案一剪力墻平面布置圖

結(jié)構(gòu)方案二：對方案一中剪力墻的布置進行調(diào)整：①增加結(jié)構(gòu)周邊剪力墻長度，即Q1、Q11、Q17、Q20、Q23、Q26剪力墻的長度；②增加Q1、Q2、Q3、Q5、Q9、Q10、Q11、Q15、Q16、Q21、Q22剪力墻的翼緣長度；③增加Q18、Q19、Q24、Q25剪力墻的翼緣。從而得出方案二剪力墻平面布置圖，如圖2所示。

圖2 方案二剪力墻平面布置圖

結(jié)構(gòu)方案三：進一步對方案二中剪力墻的布置進行調(diào)整，刪除結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分剪力墻，即刪除Q6、Q7、Q13剪力墻；減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分剪力墻的長度，即減小Q3、Q4、Q8、Q9、Q12、Q14剪力墻的長度；電梯井筒附近墻體布置較多，刪除部分墻體，從而得出方案三剪力墻平面布置圖，如圖3所示。

圖3 方案三剪力墻平面布置圖

2 計算結(jié)果的對比分析

根據(jù)調(diào)整前后3種剪力墻的布置方案，建立3種結(jié)構(gòu)模型，利用有限元分析軟件SATWE進行建模計算分析，并對3種模型的內(nèi)力特性、動力特性、變形特性以及經(jīng)濟性方面進行對比研究。

2.1 動力特性

1)周期 計算結(jié)果如表1所示，僅選取前10個振型的周期進行比較研究。

表1 結(jié)構(gòu)振型周期對比表

根據(jù)表1中各振型的周期數(shù)據(jù)，可計算出模型一、模型二和模型三的周期比分別為0.80、0.78和0.75，可以看出三者都在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條規(guī)定的A級高度高層建筑周期比不應(yīng)大于0.9的范圍內(nèi)，都能夠符合要求。從周期比的數(shù)值上看，模型二的周期比要比模型一小，周期比越小，結(jié)構(gòu)抗扭作用越大，說明模型二的抗扭轉(zhuǎn)作用要比模型一好，結(jié)構(gòu)的抗扭能力得到了一定提高[2]。此外，模型三的周期比要比模型一、二更小，說明模型三結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)效果更好。通過模型一到模型三的結(jié)構(gòu)振型周期比數(shù)據(jù)的對比分析，可以總結(jié)出合理加強結(jié)構(gòu)周邊的剪力墻布置，同時適當(dāng)減弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪力墻的作用，可有效地提高結(jié)構(gòu)的抗扭作用，增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

同時從表1中各模型的周期數(shù)值的比較上可以看出，模型二的周期比模型一的周期都相應(yīng)要有所減小，說明模型二的剛度與模型一的剛度相比要有所增強，模型二相對于模型一還具有一定的剛度優(yōu)化效果。加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置，可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的剛度和抗扭轉(zhuǎn)能力，對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大的結(jié)構(gòu)可起到一定的控制。然而模型三中每個振型所對應(yīng)的周期相對于模型一、二都要有所增大，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于前2個模型均有所降低，結(jié)構(gòu)變得更“柔”，但三者之間的數(shù)值變化幅度不大，結(jié)構(gòu)的剛度變化小，結(jié)構(gòu)仍具有較大剛度。而且方案三的剪力墻布置較前2個方案，在結(jié)構(gòu)仍具有合理剛度的基礎(chǔ)上，明顯地減少了結(jié)構(gòu)中剪力墻材料的用量，在一定程度上能節(jié)約工程成本，有利于造價控制。方案三的剪力墻布置更為合理、經(jīng)濟。

2)振型 根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.13條第1款的規(guī)定：抗震設(shè)計時，宜考慮平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不應(yīng)小于15，對多塔樓結(jié)構(gòu)的振型數(shù)不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍,且計算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%[3]。根據(jù)上述規(guī)定，該結(jié)構(gòu)的模型均計算21個振型。從SATWE計算結(jié)果中可得，在模型一中，X、Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為98.31%和98.25%；在模型二中,X、Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為98.30%和98.23%；在模型三中,X、Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為98.35%和98.33%。可以看出三者均能夠滿足規(guī)范規(guī)定的有效質(zhì)量系數(shù)在90%以上的要求。

對比圖4模型一和圖5模型二的結(jié)構(gòu)振型圖，發(fā)現(xiàn)兩者均表現(xiàn)出X方向投影振型的擺動曲線分布無序，不規(guī)律，而Y方向的擺動曲線分布更均勻，對稱且有序，說明在2個模型中Y方向上的結(jié)構(gòu)剛度更好。此外還可看出，模型二在各振型迭加中所表現(xiàn)出的擺動分布相對于模型一更集中化，幅度更小，可大致判斷模型二的抗震作用更大，結(jié)構(gòu)的抗震性能更好。說明加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置,可在一定程度上改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，但從圖4和圖5中可看出兩者擺動分布區(qū)別不大，提高效果不明顯。

圖4 結(jié)構(gòu)振型圖(模型一)

'對于圖6模型三的振型圖，發(fā)現(xiàn)與前2個模型振型圖的對比結(jié)果具有一定相似之處，表現(xiàn)在Y方向的擺動曲線分布要比X方向規(guī)律且有序，Y方向上的結(jié)構(gòu)剛度更好。進而說明通過剪力墻布置方案的逐步調(diào)整，對結(jié)構(gòu)X、Y方向上的剛度差異調(diào)整不大。同時還可看出，模型三前10個迭加振型所表現(xiàn)出的擺動曲線分布差異較前2個模型大，模型三中Y方向的擺動分布更集中于中心線附近，幅度更小，而X方向的擺動幅度更大，但分布相對規(guī)則，對稱且均勻。根據(jù)以上分析可判斷模型三的結(jié)構(gòu)布置更規(guī)則合理，抗震性能更好，抗震作用更強。

圖5 結(jié)構(gòu)振型圖(模型二)

對比3個結(jié)構(gòu)模型的振型圖，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振型圖的發(fā)展越來越規(guī)則、有序，說明通過方案一到方案三對剪力墻布置的優(yōu)化調(diào)整，結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性得到進一步提高，結(jié)構(gòu)的抗震作用得到了逐步的優(yōu)化和加強。相對于前2個方案，方案三布置更規(guī)則，結(jié)構(gòu)抗震性能更好。

2.2 變形特性

主要從結(jié)構(gòu)的最大層間位移比和最大層間位移角2個方面進行研究，計算結(jié)果統(tǒng)計如表2和表3所示。

從表2中可知，在各工況下模型一的最大層間位移比為1.37，模型二的最大層間位移比為1.32，模型三的最大層間位移比為1.18，均能夠滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條規(guī)定的A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍的要求。在各工況下從各模型的層間位移比上看，模型一到模型三的層間位移比的數(shù)值逐漸減小，說明通過方案的逐步調(diào)整，結(jié)構(gòu)模型的抗扭轉(zhuǎn)作用得到逐步增強，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能更好。從表2中可看出模型三結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力更強，更有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

表2 最大層間位移比統(tǒng)計表

表3 最大層間位移角統(tǒng)計表

根據(jù)表3中列出的數(shù)據(jù)可知，各工況下3個模型的最大層間位移角都遠(yuǎn)小于1/1000，都能夠很好地滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表5.5.1規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/1000的要求[4]。表明3個模型的抗側(cè)剛度均較大，抗側(cè)作用強。兩兩對比而言，模型二相對于模型一的最大層間位移角要小一些，說明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有一定的提高，抗側(cè)作用增強，方案二在方案一的基礎(chǔ)上具有一定的抗側(cè)性能優(yōu)化作用。模型三的最大層間位移角比模型二都要大，表明模型三相對于模型二，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)作用相對有所減弱，但從數(shù)值上看，模型三在各工況下的最大層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值為1/1000的要求，結(jié)構(gòu)仍具有較大剛度，抗側(cè)作用強。從表3中3個模型在各工況下最大層間位移角的數(shù)據(jù)的對比上看，從模型一到模型三，數(shù)值之間的變化幅度小，結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度變化小，結(jié)構(gòu)均具有良好剛度，抗側(cè)性能好。而對于模型三，結(jié)構(gòu)在具有良好剛度的同時，經(jīng)濟性更好，方案三的剪力墻布置效果相對更為優(yōu)化。

圖7 各模型軸壓比統(tǒng)計分布圖

2.3 內(nèi)力特性

主要從結(jié)構(gòu)的軸壓比方面進行分析。模型一、模型二和模型三軸壓比計算統(tǒng)計結(jié)果如下圖7所示。

根據(jù)圖7各模型軸壓比統(tǒng)計分布圖，可看出模型一、模型二和模型三的軸壓比都控制在0.6以內(nèi)，均能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表7.2.13規(guī)定的剪力墻墻肢軸壓比限值0.6的要求。

從圖7中可得，模型一的軸壓比在0.4以下占總數(shù)的38.09%, 0.4以上占61.91%，其中0.5～0.6占19.05%。模型二的軸壓比在0.4以下占總數(shù)的41.49%, 0.4以上占58.51%，其中0.5～0.6占17.02%。可看出兩者的軸壓比分布情況相差不大，在軸壓比0.4以下所占比重均較大，在0.5～0.6之間均較小。說明模型一和模型二的結(jié)構(gòu)安全性強，能很好地滿足規(guī)范規(guī)定的軸壓比限值的要求，但也反映出2個模型中存在部分剪力墻沒有充分發(fā)揮其力學(xué)性能，造成了一定的浪費，存在進一步優(yōu)化的空間。通過增強周邊剪力墻的布置，可有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭剛度，使結(jié)構(gòu)更安全穩(wěn)定。對于不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，受力分布不均勻的剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可考慮采取加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置措施，以改善結(jié)構(gòu)的受力性能，滿足結(jié)構(gòu)的安全可靠性[5～9]。但也要同時注意到這一措施增加了結(jié)構(gòu)中剪力墻材料的用量，存在構(gòu)件材料性能未能得到充分利用的情況，在一定程度上增加了造價成本，不經(jīng)濟。從而對結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置還可進行進一步的優(yōu)化調(diào)整，以使結(jié)構(gòu)在滿足足夠安全的前提下更為經(jīng)濟合理。

根據(jù)模型三軸壓比統(tǒng)計結(jié)果，可看出在該方案中，軸壓比在0.4以下的僅占總數(shù)的32.96%, 0.4以上占67.04%，其中0.5～0.6占28.41%。與模型一和模型二相比，模型三在軸壓比0.4以下所占比重較前兩者小，在0.4～0.6之間所占比重大，特別是在0.5～0.6之間最大。表明模型三剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性好而且材料性能得到了進一步地充分利用，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)揮的更好，結(jié)構(gòu)布置更加優(yōu)化合理。

2.4 經(jīng)濟性對比

通過比較3個結(jié)構(gòu)模型的單位用鋼量和混凝土用量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(見表4)，不難發(fā)現(xiàn)模型二的含鋼量和混凝土用量要大于模型一，模型三的含鋼量和混凝土用量最小。

表4 各模型鋼筋和混凝土用量統(tǒng)計表

通過加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置，模型二消耗的鋼筋和混凝土用量比模型一大，從表4中可以得出，鋼筋的用量每平方米增加了2.78%，混凝土用量增加了2.89%。雖在一定程度上增加了材料用量，提高了造價成本，但可看出增長幅度較小，而且模型二相對于模型一，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭剛度得到了明顯提高，穩(wěn)定性增強，優(yōu)化效果明顯。因此對于不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大的結(jié)構(gòu)，可采取加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻布置這一措施來改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，提高結(jié)構(gòu)的安全性，此外工程造價的變化幅度不大，可接受。

相對于模型二，模型三的鋼筋用量每平方米下降了7.58%，混凝土用量下降了7.39%；相對于原結(jié)構(gòu)模型一，模型三的鋼筋用量每平方米下降了5.01%，混凝土用量下降了4.71%。與結(jié)構(gòu)模型一、二相比，可看出模型三的含鋼量和混凝土用量最小，其剪力墻布置方案的經(jīng)濟性最好，有利于節(jié)約工程造價。同時隨著方案的逐步調(diào)整，結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)性能、剛度、安全性逐步得到強化，模型三相對于前2個模型，力學(xué)性能更好，安全性、穩(wěn)定性更強。綜上所述可知，方案三的結(jié)構(gòu)布置更為安全經(jīng)濟。

3 結(jié)語

1)加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置，即增加結(jié)構(gòu)周邊剪力墻、翼緣長度以及增加部分剪力墻的翼緣，能有效地提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗側(cè)剛度，增強結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，對于不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，受力分布不均勻的結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可考慮采取加強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的布置措施，以改善結(jié)構(gòu)的受力性能，提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。但也要同時注意這一措施增加了結(jié)構(gòu)中剪力墻材料的用量，在一定程度上提高了工程造價，雖造價變化幅度較小，但在滿足結(jié)構(gòu)足夠安全的基礎(chǔ)上,還應(yīng)進行進一步優(yōu)化布置剪力墻以使結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟合理。

2)在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下，適當(dāng)減弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪力墻的布置，即減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分剪力墻的長度，刪除結(jié)構(gòu)內(nèi)部分及電梯井筒附近布置較多的墻體，能較大程度上節(jié)省材料用量，節(jié)約工程成本，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的材料性能能得到充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)受力更加合理，經(jīng)濟性更好。此外，雖結(jié)構(gòu)的剛度有一定的削弱，但結(jié)構(gòu)仍具有合理良好的剛度，結(jié)構(gòu)性能的各項指標(biāo)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的各項要求。

[1]董攀.某復(fù)雜小高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].建筑監(jiān)督檢測與造價，2012，5(4):37～39.

[2]胡孔鵬.高層剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻布置和合理數(shù)量的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[5]胡克楠.高層剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻布置及合理數(shù)量影響因素的研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[6]劉哲鋒,蘇志力,楊偉軍.框-剪結(jié)構(gòu)剪力墻布置合理性判別的簡化方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(4)：103～106.

[7]譚方蘭.高層住宅結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(4)：58～62.

[8]李兆峰,高玉華.高層建筑結(jié)構(gòu)剪力墻布置的合理性探討[J].工程與建設(shè)，2012，26(4)：476～564.

[9]胡庸，賀靈榮.小高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化研究[J].工業(yè)建筑，2013，S1(43)：243～246.

[編輯] 計飛翔

2016-05-27

國家自然科學(xué)基金項目(51408057)。

李炎(1992-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程抗震方面的研究工作；通信作者：王德玲，386841134@qq.com。

TU375

A

1673-1409(2016)25-0055-07

[引著格式]李炎，王德玲.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻合理布置的研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(25)：55～61.