高層平面不規(guī)則框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能的思考

曾鳴

摘 要：在對(duì)高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)展開分析的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合該類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和工程實(shí)例，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能展開了分析，并結(jié)合分析結(jié)果提出了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震性能；模態(tài)分析

1 引言

在高層建筑建設(shè)方面，目前大量平面不規(guī)則的建設(shè)得到了設(shè)計(jì)，以滿足人們的審美需求。但是相較于規(guī)則結(jié)構(gòu)的建筑，這類建筑容易在地震中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)被破壞問題。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析，以便實(shí)現(xiàn)建筑的合理設(shè)計(jì)。

2 高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

在高層建筑中，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)大部分水平荷載，能否實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的合理布置，將對(duì)結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度和抗震性能產(chǎn)生直接影響。如果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了過多布置，將導(dǎo)致整體側(cè)向剛度增加，同時(shí)結(jié)構(gòu)自身重量增加，給結(jié)構(gòu)整體抗震效應(yīng)帶來影響。如果布置過少，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移增加，不利于結(jié)構(gòu)安全。而高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由于體型復(fù)雜，容易出現(xiàn)局部或結(jié)構(gòu)整體上質(zhì)量與剛度分布不均的情況。所謂的平面不規(guī)則，包含扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)等情況。在外荷載作用下，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生局部或整體破壞。因此在地震的作用下，不規(guī)則結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)偶然偏心的問題，造成結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。

3 高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

3.1 不規(guī)則結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，與結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布不均存在直接聯(lián)系。在水平荷載作用下，如果荷載作用于結(jié)構(gòu)剛度中心位置，結(jié)構(gòu)只會(huì)產(chǎn)生水平位移，并不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。如果荷載并未作用于中心位置，就會(huì)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的發(fā)生。此時(shí)，如果某個(gè)構(gòu)件遠(yuǎn)離剛度中心，就會(huì)導(dǎo)致大剪應(yīng)力的產(chǎn)生，引發(fā)剪切變形，繼而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)遭到破壞。平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以還要建立相應(yīng)的動(dòng)力模型，通過分析確定荷載能否作用于結(jié)構(gòu)剛度中心位置，繼而確定結(jié)構(gòu)的抗震性能能否滿足要求。為減少數(shù)值求解時(shí)間，還要采用ASP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)展開模態(tài)分析，從而獲得模型結(jié)構(gòu)基本性能參數(shù)。結(jié)合模型頻率、自振周期等參數(shù)，可以對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行判斷。如圖1所示，為某高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型，模型層高均為3m，共20層，柱間距為6m，梁和柱的截面積分別為300*600和600*600，采用C30混凝土，結(jié)構(gòu)抗震防烈度為8度，場(chǎng)地為II類，阻尼比為0.04。從荷載分布情況來看，樓面恒定載荷為5.0kN/㎡，活載為2.0kN/㎡，梁上擁有10kN/㎡線荷載。

3.2 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性分析

在對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性展開分析時(shí)，還要采用模態(tài)分析法。針對(duì)線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在地震作用下，通過模態(tài)分析可以對(duì)結(jié)構(gòu)基本性能參數(shù)進(jìn)行獲取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)和體系特性的定性分析。采用特征向量法，可以對(duì)地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)中未參與的振型進(jìn)行忽略，僅對(duì)荷載都參與的振型展開分析，所以能夠得到有關(guān)的特征值和向量，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)地震動(dòng)態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確分析[1]。采SAP2000程序軟件展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在地震作用下，第一振型為平動(dòng)，Y方向，UX和UY分別為0和0.8124，Rz為0。第二振型為平動(dòng)，X方向，UX和UY分別為0.7703和0，Rz為0.0425。第三振型則為扭矩，UX和UY分別為0.687和0，Rz為0.0115，滿足UX+UY

3.3 結(jié)構(gòu)的抗震性分析

在結(jié)構(gòu)抗震性能分析時(shí)，需要采用反應(yīng)譜分析方法，先對(duì)質(zhì)點(diǎn)的地震響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，然后通過統(tǒng)計(jì)和靜力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)的抗震性能。地震反應(yīng)譜為單自由度體系地震最大絕對(duì)加速度與結(jié)構(gòu)自振周期的關(guān)系，可以利用一組阻尼比相同、自振周期不同的單自由度體系進(jìn)行分析，得到各體系加速度和自振周期關(guān)系，確定地震作用大小[2]。從反應(yīng)譜分析結(jié)果來看，在雙向地震作用下，模型在X方向上產(chǎn)生的最大位移位于第8層，△X達(dá)到了5.49mm；Y方向上產(chǎn)生的最大位移在第11層，△Y達(dá)到了4.21mm。而X方向和Y方向上的最大頂點(diǎn)位移分別為83.11mm和69.85mm，層間位移角在X方向上超出限值的為4-14層，最大為1/601，在Y方向上超出限值的為9-13層，最大為1/783。由此可見，在兩個(gè)方向的上部分，該框架-剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角均超出了限制，不符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定的1/800限值要求。

3.4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

在地震波和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力確定的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷作用下的響應(yīng)大小展開分析，可以確定地震中結(jié)構(gòu)的位移、加速度等情況。針對(duì)不規(guī)則建筑，按照相關(guān)規(guī)定，需要對(duì)多遇地震下結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程展開分析。在分析的過程中，還要將地面最大加速度設(shè)定為35cm/s2，然后按1：0.85雙向地震作用進(jìn)行輸入，次方向峰值加速度設(shè)定為29.75cm/s2，阻尼比設(shè)定為0.05，特征周期則為0.35s。從得到的分析結(jié)果來看，在地震作用下，模型在X和Y向上的最大位移分別為83.91mm和70.21mm，最大位移角分別為1/566和1/638。從分析結(jié)果來看，還要對(duì)高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)抗震性能可以滿足規(guī)范要求。

3.5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

結(jié)合抗震性能分析結(jié)果和建筑結(jié)構(gòu)可知，之所以建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度無法滿足要求，主要是由于結(jié)構(gòu)剪力墻僅布置在電梯井附近。從框架-剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則上來看，應(yīng)當(dāng)使剪力墻布置做到分散、均勻和對(duì)稱，不規(guī)則結(jié)構(gòu)應(yīng)在結(jié)構(gòu)薄弱位置布置。此外，在確保剪力墻有一定延性的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)將長度控制在8m內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還要在結(jié)構(gòu)四周完成剪力墻的均勻布置，以便使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度得到增強(qiáng)[3]。完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行重新分析可以發(fā)現(xiàn)，在雙向地震作用下，結(jié)構(gòu)在X和Y方向上的最大頂點(diǎn)位移分別為48.13mm和40.21mm，最大層間位移角分別為1/1011和1/1237，因此可以滿足規(guī)定要求。

4 結(jié)論

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)高層平面不規(guī)則框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，還要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能分析，以便確定結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，從而為建筑施工建設(shè)提供更多安全保障。在實(shí)際分析過程中，還要采用模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析等方法，以便從水平和豎直兩個(gè)方向?qū)Y(jié)構(gòu)位移情況展開分析，繼而更好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能的判斷。

參考文獻(xiàn)：

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