短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性對比分析

卜偉

【摘 要】本文以西安市某高度為50m的剪力墻結(jié)構(gòu)點式高層住宅樓為背景，通過合理簡化，利用有限元分析軟件ANSYS建立合理的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)模型，同時建立異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)、普通剪力墻結(jié)構(gòu)模型，并將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與另外兩種相近的結(jié)構(gòu)進行比較分析，對比其在抗震性方面的差異，發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性和經(jīng)濟性的等綜合性能較好。

【關(guān)鍵詞】短肢剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震性

0 前言

1997年我國專家首次提出短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，但是關(guān)于該種類型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]中并未給予詳細的說明。雖然在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》[3]作出相關(guān)要求，如高度范圍、抗震等級、墻體厚度以及在整個結(jié)構(gòu)中所占傾覆力矩的百分比等。但是，這些要求都是基于實驗室中獲得的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出來的，具有一定的局限性，缺乏現(xiàn)實的地震考驗。因此，對這種類型結(jié)構(gòu)體系抗震性的分析，特別是針對高層住宅中的應(yīng)用研究，能夠為今后該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性對比分析

1.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)動力特性的基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析可以獲得結(jié)構(gòu)的自振頻率、周期、振型等自振特性[4]。

通過不同結(jié)構(gòu)類型之間的比較，異形柱框剪結(jié)構(gòu)的周期比為0.89，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的周期比為0.87，普通剪力墻的周期比0.86。三種結(jié)構(gòu)的周期雖均在規(guī)范要求之內(nèi)，但都比較接近限值0.9，尤其是異形柱框剪結(jié)構(gòu)已快達到限值，主要原因在于點式高層住宅的X、Y兩向尺寸接近且較小，同時結(jié)構(gòu)核心處電梯井剛度較大，而外側(cè)墻肢由于需要滿足結(jié)構(gòu)空間需排布較為疏松，這致使結(jié)構(gòu)整體形成“內(nèi)剛外柔”的框筒，所以周期比偏大。而在異形柱框剪結(jié)構(gòu)中由于異形柱的存而削弱結(jié)構(gòu)外圍剛度，在核心區(qū)剛度（主要是電梯間核心筒剛度）不變的情況下，使得作用于結(jié)構(gòu)的能量中促使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的能量增加。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)安全性更接近普通剪力墻，安全性優(yōu)于異形柱框剪結(jié)構(gòu)。

1.2 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜分析步驟主要有：

（1）將類別設(shè)為單點相應(yīng)譜。模態(tài)數(shù)取前30，并將應(yīng)力響應(yīng)設(shè)為開啟狀態(tài)。

（2）設(shè)置反應(yīng)譜類型為加速度譜，根據(jù)相應(yīng)的反應(yīng)譜值乘以重力加速度得到地震加速度，激勵方向分別為X向和Y向，進行譜分析求解。

（3）模態(tài)擴展。本文選擇SUBSP方式擴展。

（4）模態(tài)合并。因為在同一時刻所有模態(tài)的值不可能都達到最大，所有模態(tài)的最大值不會同步出現(xiàn)，因此每一階擴展模態(tài)的響應(yīng)需要合并為總體響應(yīng)。本文采納ANSYS提供的CQC法進行組合，即各振型反應(yīng)的完全平方組合法，該法考慮了結(jié)構(gòu)各振型之間的偶聯(lián)。反應(yīng)譜分析可以獲得層位移、層間位移角以及各層的剪力，其中層位移用u表示，層間位移角θ=Δu/h，式中 h為層高，Δu為層相對位移。通過分析發(fā)現(xiàn)這三種結(jié)構(gòu)的樓層位移曲線不論X向還是Y向都連續(xù)，平滑，無突變，這表明整個建筑沒有特別顯著的薄弱部位，其中異形柱框剪結(jié)構(gòu)由于其中的異形柱截面尺寸較短剛度較小，所以其變形曲線基本上呈現(xiàn)剪切型；普通剪力墻結(jié)構(gòu)由于墻肢較長，變形基本上呈彎曲型，但不是很明顯；短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的變形介于兩者之間，底部表現(xiàn)出彎曲型，上部表現(xiàn)為剪切型，變形曲線趨近直線?？傮w來說，X，Y兩個方向的變形趨勢基本相同。相比之下異形柱框剪結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)雖然能滿足規(guī)范要求但是較大，普通剪力墻結(jié)構(gòu)最小，比較安全，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)居于兩者之間。這主要是因為，短肢墻結(jié)構(gòu)較普通墻結(jié)構(gòu)墻率減小了15.5%，異形柱框剪結(jié)構(gòu)相對于短肢墻結(jié)構(gòu)墻率減少了20.76%?？傊?，就本工程而言除異形柱框剪結(jié)構(gòu)外的另兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計相對比較安全。通過對三種設(shè)計方案的最大層間位移角的比較，其出現(xiàn)在整個結(jié)構(gòu)的中間靠下部位，且最大層間位移角出現(xiàn)在7層，但異形柱框剪結(jié)構(gòu)的層間位移角較大，短肢墻和普通墻的變化趨勢較為接近，說明短肢墻和普通墻的層間位移延豎向變化較為均勻，整體抗側(cè)剛度較好。

1.3 彈性時程分析

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的要求：對于極其不規(guī)則的建筑、甲類建筑和達到一定高度范圍的高層建筑以及采用新的結(jié)構(gòu)形式或新的建筑材料的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算[2]。

（1）異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的最大位移為32.16mm，最大基底剪力為1842.3KN；短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的最大位移是29.78mm，最大基底剪力為1918.3KN；普通剪力墻結(jié)構(gòu)的最大位移為27.46mm，最大基底剪力為2109.5KN。規(guī)范反規(guī)定，對普通剪力墻結(jié)構(gòu)的時程分析的最大剪力應(yīng)大于振型分解反應(yīng)譜法的65%。

2 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)實工程案例，利用有限元分析軟件ANSYS對比分析了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)類型抗震性能的差異，得出如下結(jié)論：

（1）通過模態(tài)分析可知。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)第1振形延X向移動，第2振形延Y向移動，說明結(jié)構(gòu)在X向的抗側(cè)剛度較小，但X、Y向相差不大，說明結(jié)構(gòu)X、Y方向的剛度比較接近，第3階振形為繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動，說明抵抗扭轉(zhuǎn)的剛度優(yōu)于平動剛度，結(jié)構(gòu)布置合理。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的周期比符合規(guī)范要求，優(yōu)于異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

（2）通過多遇地震下的反應(yīng)譜分析和時程分析的比較分析，短肢墻結(jié)構(gòu)的變形表現(xiàn)出S形，這說明其變形型式介于剪切型和彎曲型之間，屬彎剪型。另外該結(jié)構(gòu)的層間位移角均符合規(guī)范規(guī)定，安全性優(yōu)于異型柱框剪結(jié)構(gòu)。

（3）對于點式高層建筑中短肢剪力墻的設(shè)計，應(yīng)考慮采用“外長內(nèi)短”的方式，將短肢盡量布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，另外可以通過對短肢的靈活設(shè)置來調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心。

（4）當傾覆力矩比在40%左右時，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能可以滿足該類工程——7度區(qū)高度50m左右的點式高層建筑的要求，同時在經(jīng)濟性上優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)。

【參考文獻】

[1]建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-20110）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（GJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.