外填充墻對高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)受力性能影響分析*

王廷彥， 高宇甲， 霍繼煒， 趙順波， 陳貢聯(lián)

(1 華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院， 鄭州 450045； 2 中建七局第四建筑有限公司， 西安 710016)

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中最常用的一種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大、側(cè)向變形小，墻面及天花板平整，特別適用于高層住宅、公寓、賓館等建筑[1-2]。

目前，我國大部分高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)外墻通常是由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻和輕質(zhì)砌塊填充墻共同構(gòu)成，這種組合外墻存在一些不足，尤其在冬季或夏季氣溫差別比較大時，產(chǎn)生墻體滲透及開裂的危險性較高[3-6]。隨著鋁合金模板體系下全現(xiàn)澆混凝土外墻施工技術(shù)的快速發(fā)展，建筑工程施工工藝隨之創(chuàng)新發(fā)展，干作業(yè)、免抹灰等先進(jìn)工藝技術(shù)已成為解決墻體滲透與開裂問題的有效途徑。近年來，一大批高層與超高層建筑施工引入了干作業(yè)、免抹灰等先進(jìn)工藝技術(shù)，取得了較為理想的施工效果和經(jīng)濟(jì)效益[7-9]。

本文以某工程實(shí)例為研究對象，研究外填充墻受力方式和材料變化對剪力墻結(jié)構(gòu)受力性能的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的工程建議。

1 工程概況與整體結(jié)構(gòu)建模

某高層住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度75.4m，建筑平面總長度34.0m，總寬度16.30m，高寬比4.63，地下2層，地上26層?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組。場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.55s?；撅L(fēng)壓為0.45kN/mm2，地面粗糙度為B類。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，地下2層的抗震構(gòu)造措施等級為三級，其他各層抗震構(gòu)造措施等級為二級。

采用PKPM軟件建立本項(xiàng)目外圍加氣混凝土砌體填充墻結(jié)構(gòu)的整體模型，稱為模型0(簡稱原結(jié)構(gòu))。模型0標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，圖中外墻上畫圈位置布置的是加氣混凝土砌體填充墻，其余外墻均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻體，結(jié)構(gòu)整體模型如圖2所示。

不改變原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面布置，將原結(jié)構(gòu)模型0的外圍加氣混凝土砌體填充墻全部改為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，改變外填充墻的受力方式，重新建立PKPM分析模型，稱為模型1。將原結(jié)構(gòu)的外圍加氣混凝土砌體填充墻材料改為現(xiàn)澆輕骨料混凝土填充墻，改變外填充墻的材料，重新建立PKPM分析模型，稱為模型2。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 剪力墻結(jié)構(gòu)整體模型

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷 載規(guī)范》(GB 50009—2012)[10]規(guī)定，對3個模型在豎向荷載、風(fēng)荷載和地震作用下內(nèi)力進(jìn)行分析計算，然后對不同工況荷載效應(yīng)進(jìn)行組合。計算整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量比、剛度比、受剪承載力比、周期比、剪重比、位移比和層間位移角，以及局部構(gòu)件剪壓比、軸壓比、剪扭比、配筋率、局部穩(wěn)定性等指標(biāo)。按照規(guī)范規(guī)定和要求對3個模型承載力、位移、舒適度和整體穩(wěn)定性等進(jìn)行分析和評價。

2 計算結(jié)果分析

2.1 整體性能分析

各模型各樓層質(zhì)量比分布曲線見圖3。由圖可知3個模型樓層質(zhì)量比值都不超過1.5，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[11](簡稱高規(guī))關(guān)于樓層質(zhì)量沿高度宜均勻分布、樓層質(zhì)量不宜大于相鄰下部樓層質(zhì)量的1.5倍的規(guī)定。

各模型各樓層X向剪切剛度比見圖4。由圖可知，模型0和模型2底層剪切剛度比為0.4，模型1為0.49，均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[12](簡稱抗震規(guī)范)規(guī)定，即當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)地上一層的剪切剛度不宜大于相關(guān)范圍地下一層剪切剛度的0.5倍。因此，底層嵌固部位設(shè)置是合理的。

X向和Y向樓層側(cè)向剛度比γ1見圖5,6。由圖可知，X向和Y向的樓層側(cè)向剛度比γ1均大于1，滿足高規(guī)關(guān)于該層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上一層的70%或不宜小于其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%的規(guī)定。

X向和Y向考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度比γ2見圖7,8。由圖可知，X向和Y向考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度比γ2均大于0.9，滿足高規(guī)關(guān)于本層與相鄰上一層的比值不宜小于0.9的規(guī)定。因此，3個模型豎向布置均規(guī)則，側(cè)向剛度比滿足要求，不存在軟弱層。

樓層受剪承載力比可以判定結(jié)構(gòu)是否存在薄弱層，樓層X向和Y向受剪承載力比見圖9，10。由圖可知，各模型的受剪承載力比均大于0.8，滿足高規(guī)關(guān)于A級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，不應(yīng)小于其相鄰上一層受剪承載力的65%的規(guī)定。因此，結(jié)構(gòu)不存在薄弱層。

圖3 質(zhì)量比分布曲線

圖4 X向剪切剛度比

圖5 X向側(cè)向剛度比γ1

圖6 Y向側(cè)向剛度比γ1

圖7 X向側(cè)向剛度比γ2

圖8 Y向側(cè)向剛度比γ2

圖9 X向受剪承載力比

圖10 Y向受剪承載力比

圖11 X向地震作用下結(jié)構(gòu)剪重比

表1對比了3個模型的前3階振型的振動周期和振動方向。模型0和模型2的基本周期相差不大，均在2.0s左右。模型1的基本周期約為1.7s，說明模型1的結(jié)構(gòu)整體剛度最大。模型0和2的第1振型均為X向平動，模型1的第1振型為Y向平動，說明模型1在X向增加的剪力墻剛度較大，改變了原結(jié)構(gòu)的弱軸方向(第1振型的振動方向)。3個模型的第1振型均未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)的剛度布置合理。模型0、模型1、模型2的Tt/T1比值依次為0.67，0.50和0.67，均滿足高規(guī)關(guān)于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期Tl之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9的規(guī)定。

結(jié)構(gòu)周期及振型方向 表1

X向和Y向地震作用下，各模型結(jié)構(gòu)的剪重比見圖11和圖12。由圖可知，3個模型3層以上(地下室頂板以上)的剪重比值均大于0.024，滿足抗震規(guī)范關(guān)于樓層最小地震剪力系數(shù)在7度0.15g時不小于0.024的規(guī)定。因此均不需要對剪重比進(jìn)行調(diào)整。

各模型X向和Y向位移比和層間位移比見圖13～16。由圖可知，X向地震作用下模型0與模型2的最大位移比均為1.12，最大層間位移比均為1.20，模型1的最大位移比和最大層間位移比為1.22和1.30，模型2的最大位移比和最大層間位移比與模型0的值相同。Y向地震作用下模型0和模型2的最大位移比和最大層間位移比相同，均為1.17和1.18，模型1的最大位移比和最大層間位移比分別為1.12，1.13。各模型均滿足高規(guī)中結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，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倍的規(guī)定。

圖12 Y向地震作用下結(jié)構(gòu)剪重比

圖13 X向地震作用下位移比

圖14 X向地震作用下層間位移比

圖15 Y向地震作用下位移比

圖16 Y向地震作用下層間位移比

圖17 X向地震作用下最大層間位移角

圖18 Y向地震作用下最大層間位移角

圖19 X向風(fēng)荷載作用下最大層間位移角

圖20 Y向風(fēng)荷載作用下最大層間位移角

X向和Y向地震作用下各模型的最大層間位移角見圖17和圖18，X向和Y向風(fēng)荷載作用下各模型的層間位移角見圖19和圖20。由圖可知，模型0、模型1和模型2的最大層間位移角分別為1/1 012，1/1 150，1/1 001，均不大于1/1 000，滿足高規(guī)規(guī)定。

3個模型的抗傾覆安全系數(shù)最小值為11.09，且均無基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)，均滿足高規(guī)對于高寬比大于4的高層建筑，抗傾覆安全系數(shù)大于等于3，基底不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)的規(guī)定。

模型0、模型1、模型2在X向和Y向剛重比驗(yàn)算值見表2。由表2可知，3個模型的最小剛重比分別為5.09，7.01，5.01，均大于2.7，滿足高規(guī)規(guī)定，可以不考慮重力二階效應(yīng)。模型0、模型1、模型2在X向和Y向的最小剛重比也均大于1.4，滿足高規(guī)規(guī)定的整體穩(wěn)定性的要求。

剛重比驗(yàn)算 表2

2.2 局部構(gòu)件性能分析

對3個模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(豎向和水平)的剪壓比超限、軸壓比超限和局部穩(wěn)定驗(yàn)算超限的統(tǒng)計見表3。可以看出，模型0和模型2的剪壓比、軸壓比超限數(shù)量較少，且不存在局部穩(wěn)定驗(yàn)算超限的情況。模型2軸壓比超限數(shù)量共有9處，模型0的軸壓比超限數(shù)量2處。模型0和模型2的剪壓比超限數(shù)量相當(dāng)。

模型1的剪壓比、軸壓比超限數(shù)量較多，且存在局部穩(wěn)定驗(yàn)算超規(guī)范限值的情況，在1，2，3，4層的局部穩(wěn)定驗(yàn)算超限數(shù)量分別是5，2，2，1。剪壓比超限數(shù)量多的原因是：外圍填充墻改為剪力墻后，增大了整個剪力墻結(jié)構(gòu)剛度，地震作用下的地震剪力也增大，易導(dǎo)致剪壓比超限。例如，X向地震作用下模型0的底部剪力值5 654.24 kN，模型1的底部剪力值6 686.75 kN，模型1比模型0增加18.26 %。此外，模型1外圍部分填充墻改為短肢剪力墻，其剪力值調(diào)整系數(shù)增大導(dǎo)致剪力值增大，也易出現(xiàn)剪壓比超限的情況。軸壓比超限的原因是外圍改增了4片一字形短肢剪力墻。按照高規(guī)規(guī)定：一字形短肢剪力墻的軸壓比限值為0.4，其他墻體的軸壓比限值為0.6。因此一字形短肢剪力墻軸壓比限值嚴(yán)格，所以更易出現(xiàn)軸壓比超限。局部穩(wěn)定驗(yàn)算超限的原因是：改增的一字形短肢剪力墻，平面外無約束，且在平面外設(shè)置與之相交的單側(cè)樓面梁，進(jìn)一步加大了其平面外失穩(wěn)的可能性。

3 結(jié)論

(1)外圍加氣混凝土砌體填充墻改為鋼筋混凝土剪力墻，增加了剪力墻的數(shù)量，增大了原結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小了原結(jié)構(gòu)的側(cè)移。新增的外剪力墻造成原結(jié)構(gòu)剛度中心偏移，使其剛度中心與質(zhì)量中心距離加大，加大了地震作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時，因改增的填充墻主要在X向，使原結(jié)構(gòu)的第1振型由Y向振動變?yōu)閄向振動，改變了原結(jié)構(gòu)第1振型的振動方向。由于增加的剪力墻占原結(jié)構(gòu)剪力墻的比例為8.5%，增加比例相對較少，對結(jié)構(gòu)整體性能影響相對較小，結(jié)構(gòu)整體受力性能指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求。但是，因改增的剪力墻多為一字形短肢剪力墻，致使結(jié)構(gòu)中剪壓比、軸壓比及局部穩(wěn)定驗(yàn)算超限的剪力墻數(shù)量增多。

(2)建議設(shè)置全現(xiàn)澆外墻剪力墻結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡量保持原結(jié)構(gòu)的剛度中心不偏離質(zhì)量中心，避免設(shè)置一字形短肢剪力墻，以及與一字形短肢剪力墻平面外相交的單側(cè)樓面梁，還應(yīng)盡量減少短肢剪力墻的數(shù)量。

(3)外圍輕質(zhì)砌體填充墻改為輕骨料混凝土填充墻對原結(jié)構(gòu)受力性能影響較小，但應(yīng)注意加強(qiáng)軸壓比增大的局部構(gòu)件構(gòu)造措施?？傮w上，僅改變外填充墻的材料，是一種較好的外填充墻整改方案。