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2023-10-16 07:25:58常為華

建筑結(jié)構(gòu)訂閱 2023年18期 收藏

關(guān)鍵詞：墻肢軸壓樓層

常為華, 蔡 潔

(1 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045；2 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

0 引言

大開(kāi)間板式高層住宅樓應(yīng)用越來(lái)越廣泛,具有南北側(cè)開(kāi)窗、采光、通風(fēng)和平面空間高效利用等優(yōu)點(diǎn)。更重要的是,大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu),可以在不改變承重結(jié)構(gòu)的情況下,給住宅的套型留下可改動(dòng)的余地,滿足不同住戶因個(gè)人的生活方式、喜好等要求對(duì)居住空間進(jìn)行個(gè)性化的布局,從而讓相對(duì)固定的居住空間靈活多變、充滿活力?？梢灶A(yù)見(jiàn),可隨時(shí)改變內(nèi)部功能布局的大開(kāi)間住宅是提高住戶生活環(huán)境和質(zhì)量的一個(gè)有效手段,將成為當(dāng)今以及未來(lái)多元化住宅建筑中一個(gè)不可或缺的重要類型。

然而,大開(kāi)間板式住宅樓南、北側(cè)設(shè)置門窗洞口后,該方向剪力墻數(shù)量較少或截面長(zhǎng)度較短,另一個(gè)方向因分室、分戶剪力墻較多;形成一個(gè)方向以短肢剪力墻為主,另一個(gè)方向以普通剪力墻為主,結(jié)構(gòu)典型平面布置圖見(jiàn)圖1,兩個(gè)主軸方向豎向構(gòu)件剪切剛度分別為X向6.01×107kN/m,Y向1.31×108kN/m,即強(qiáng)軸方向的剪切剛度是弱軸方向的2倍有余,差異巨大。而《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[1](簡(jiǎn)稱高規(guī))第7.1.1條關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)的基本組成規(guī)定:“剪力墻平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則,宜沿兩個(gè)主軸方向或其他方向雙向布置,兩個(gè)方向的側(cè)向剛度不宜相差過(guò)大?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí),不應(yīng)采用僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置?！币簿褪且髢蓚€(gè)主軸方向的剪力墻剛度差異應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi),保證兩個(gè)方向的水平變形基本一致。

圖1 結(jié)構(gòu)典型平面布置圖

以北京市豐臺(tái)區(qū)高立莊某住宅項(xiàng)目為例,結(jié)構(gòu)典型平面布置圖見(jiàn)圖1。結(jié)構(gòu)平面長(zhǎng)52.8m,寬16.4m,地上28層,結(jié)構(gòu)高度79.8m,建筑面積1.83萬(wàn)m2。剪力墻截面厚度均為200mm,X向因?yàn)樵O(shè)置門窗,以800～1 500mm長(zhǎng)的短肢剪力墻為主,Y向?yàn)? 000～8 000mm長(zhǎng)的普通墻力墻。項(xiàng)目設(shè)防烈度為8度(0.2g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。

1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析目的主要是求解結(jié)構(gòu)的自振周期和振型[2]。高層建筑的自振特性是衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度是否匹配、結(jié)構(gòu)剛度是否合理的重要指標(biāo),也是進(jìn)行譜分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的必要前提[3-4]。采用了YJK和MIDAS Gen兩種不同力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。從前15階振型計(jì)算結(jié)果(表1)可知,兩種軟件的分析結(jié)果十分接近,說(shuō)明力學(xué)模型可靠。

表1 振型特性

從自振特性和振型質(zhì)量參與系數(shù)(表1)可以看出:1)第1階自振周期以X向平動(dòng)為主,第2階自振周期以Y向平動(dòng)為主;兩個(gè)主軸方向的基本周期差異不大,而振型質(zhì)量參與系數(shù)差異卻很大。2)前15階振型X向有效質(zhì)量參與系數(shù)為97.2%,Y向有效質(zhì)量參與系數(shù)僅92.9%,說(shuō)明了兩個(gè)主軸方向地震動(dòng)特性差異較大,Y向的高階振型不利影響占比較大,應(yīng)充分考慮。另外,應(yīng)從樓層位移、層間位移角、樓層剪力、樓層傾覆力矩、軸壓比等方面進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)薄弱部位。

2 樓層位移與層間位移角

采用振型分解反應(yīng)譜方法[1]分析結(jié)構(gòu)在單向水平地震作用下兩個(gè)主軸方向的樓層位移和層間位移角,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 樓層位移和層間位移角對(duì)比

由圖2可知,結(jié)構(gòu)X、Y兩個(gè)主軸方向的頂點(diǎn)位移分別為42mm和47mm,最大層間位移角分別為1/1 320(7層)和1/1 343(19層),結(jié)構(gòu)X、Y兩個(gè)方向頂點(diǎn)位移和最大層間位移角非常接近,但變形曲線卻存在很大差異。具體分析如下:

(1)結(jié)構(gòu)X向的水平變形沿高度單調(diào)增長(zhǎng),在底部區(qū)域增長(zhǎng)快,頂部增長(zhǎng)慢;層間位移角在底部增長(zhǎng)迅速,至一定高度后,由于樓層剪力減小,其值逐漸減小,最大層間位移角發(fā)生在7層。其變形特征是底部呈現(xiàn)彎曲變形,隨著高度增大,剪切變形占比加大,整體呈彎剪型,與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)整體變形特征接近。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)X向除了短肢墻的等效彎曲剛度EI外,還有由連梁和短肢墻等效框架剪切剛度GA、樓板和平面外的墻體形成連續(xù)多跨等效框架剪切剛度GA組成的總抗側(cè)剛度影響。特別是當(dāng)豎向構(gòu)件的剛度與水平構(gòu)件的剛度差異不大時(shí),在水平外力作用下,這些水平構(gòu)件產(chǎn)生的剪力對(duì)相連接豎向構(gòu)件彎曲變形起到抑制作用,當(dāng)這種抑制作用很大時(shí),該樓層處豎向構(gòu)件的截面轉(zhuǎn)角就會(huì)明顯減小,整體彎剪型特性更明顯。

(2)結(jié)構(gòu)Y向的水平變形也是沿高度單調(diào)增長(zhǎng),在底部區(qū)域增長(zhǎng)相對(duì)較慢,頂部增長(zhǎng)相對(duì)較快。層間位移角也是從底部開(kāi)始單調(diào)增長(zhǎng),且增長(zhǎng)較快;中上部盡管樓層剪力減小,并且各層彎曲剛度EI基本一致,但層間位移角仍有增長(zhǎng)趨勢(shì),最大層間位移角發(fā)生在19層。這是因?yàn)闃菍釉礁?底層彎曲轉(zhuǎn)角引起的無(wú)害層間位移角越大,實(shí)際有害層間位移角并不是越來(lái)越大。變形特征呈彎曲型,符合從下到上基本均勻布置剪力墻結(jié)構(gòu)的變形特征。

(3)另外,還可以發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)底部區(qū)域的有害位移占比較大,因此設(shè)置底部加強(qiáng)區(qū)并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施十分有意義。但是,不同的變形特征應(yīng)引起重視,特別是X向的水平變形變化規(guī)律不同于剪力墻結(jié)構(gòu),不能完全按剪力墻結(jié)構(gòu)體系要求進(jìn)行設(shè)計(jì),應(yīng)進(jìn)一步研究其內(nèi)力分布規(guī)律并采取針對(duì)性加強(qiáng)措施[5-6]。

3 樓層傾覆力矩與樓層剪力

對(duì)結(jié)構(gòu)采用振型分解反應(yīng)譜方法[1]進(jìn)行分析,計(jì)算得到樓層剪力和樓層傾覆力矩,見(jiàn)圖3。由圖3可知,結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向中間若干層的樓層剪力基本相當(dāng),但在頂部區(qū)域和底部區(qū)域樓層剪力有一定的差異。其中基底剪力分別為X向 10 386kN,Y向11 155kN,Y向的基底剪力比X向大7.5%。基底傾覆力矩差異不大,分別為X向515 865kN·m,Y向501 254kN·m,其中X向的傾覆力矩稍大。

圖3 樓層剪力和樓層傾覆力矩對(duì)比

結(jié)構(gòu)X、Y兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性、地震作用效應(yīng)與各方向幾何特點(diǎn)密切相關(guān);X向以短肢墻為主,Y向以剪力墻為主,X、Y向長(zhǎng)寬比約為3∶1,X、Y向的豎向構(gòu)件的剪切剛度比約為1∶2;合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)洞口,可使X、Y兩個(gè)主軸方向的基本周期、最大層間位移角、頂點(diǎn)位移以及基底傾覆力矩基本一致;但變形曲線和基底剪力差異明顯,說(shuō)明地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布較為復(fù)雜。應(yīng)重視主要抗震構(gòu)件的抗震性能。

一般來(lái)說(shuō),樓層傾覆力矩和樓層剪力對(duì)剪力墻平面內(nèi)產(chǎn)生的拉壓力表現(xiàn)為一端受拉另一端受壓,并采取設(shè)置邊緣構(gòu)件的加強(qiáng)措施效果明顯;而對(duì)剪力墻平面外的影響通常忽略。事實(shí)上,剪力墻平面外與樓板會(huì)形成類似框架的結(jié)構(gòu)體系,提供了一定的抗側(cè)剛度,相應(yīng)地,水平作用力對(duì)剪力墻產(chǎn)生一定的軸向拉壓力要充分重視。

4 軸壓比與名義拉應(yīng)力

軸壓比是控制豎向構(gòu)件延性的一個(gè)重要指標(biāo),高規(guī)中剪力墻和框架柱軸壓比限值見(jiàn)表2。由表2可以看出,剪力墻的軸壓比限值要小于相同抗震等級(jí)的框架柱,是因?yàn)榧袅S壓比的計(jì)算中,只考慮了重力荷載代表值的設(shè)計(jì)值,并沒(méi)有計(jì)入地震作用。在工程案例中考慮地震作用影響計(jì)算主要剪力墻軸壓比μN(yùn)E,結(jié)果見(jiàn)表3,其中墻編號(hào)見(jiàn)圖1。

表2 規(guī)范軸壓比限值

表3 軸壓比計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出,不考慮地震作用組合時(shí),各墻肢軸壓比μN(yùn)基本一致,且滿足高規(guī)要求,而計(jì)入地震作用后,軸壓比μN(yùn)E分布明顯不均勻,邊榀墻肢軸壓比增大顯著,內(nèi)隔墻軸壓比增大幅度相對(duì)較小。個(gè)別墻肢的軸壓比甚至大于相同抗震等級(jí)的框架柱軸壓比限值[1]。這時(shí)把所有墻肢按相同的軸壓比限值要求設(shè)計(jì),會(huì)導(dǎo)致各墻肢實(shí)際延性儲(chǔ)備存在巨大差異,容易形成薄弱環(huán)節(jié)[7]。

為了提高剪力墻的抗震延性,《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))[8](簡(jiǎn)稱超限審查要點(diǎn))第四章第十二條第4款規(guī)定,中震時(shí)雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力,且平均名義拉應(yīng)力不宜超過(guò)兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。按超限審查要點(diǎn)第十二條第四款計(jì)算主要墻肢全截面平均名義拉應(yīng)力,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 名義拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4可知,墻肢名義拉應(yīng)力較大的墻肢主要是邊榀墻肢,與考慮地震作用組合的軸壓比較大的墻肢一致。在目前規(guī)范中墻肢軸壓比驗(yàn)算不考慮地震作用組合而按超限審查要點(diǎn)方法控制其名義拉應(yīng)力,充分考慮了地震作用對(duì)墻肢的不利影響,對(duì)相關(guān)墻肢截面進(jìn)行調(diào)整或設(shè)置型鋼,能有效提高剪力墻的抗震延性[9]。

5 罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析

罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析采用SAUSAGE軟件?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[10]附錄C中的單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,鋼筋的非線性材料模型采用雙線性隨動(dòng)硬化模型,在循環(huán)過(guò)程中,無(wú)剛度退化,考慮了包辛格效應(yīng)。鋼材屈服后剛度比為0.017 5。剪力墻中連梁采用梁?jiǎn)卧?該單元基于Timoshenko梁理論,可以考慮剪切變形剛度。剪力墻采用彈塑性分層殼單元,并采用程序默認(rèn)的PMM鉸。

動(dòng)力彈塑性分析分別輸入三組地震波,包括2組天然波和1組人工波。計(jì)算過(guò)程中,主、次方向地震波加速度峰值比為1∶0.85,加速度峰值為400gal,持時(shí)30s。主要分析了X、Y兩個(gè)主軸方向的樓層層間位移角、基底剪力和主要構(gòu)件損傷情況。

分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在不同地震作用下響應(yīng)差異較大,但相對(duì)趨勢(shì)基本一致。其中地震波TH099TG040作用下,結(jié)構(gòu)基底剪力最大,X和Y向基底剪力分別為34 901kN和53 690kN,分別是多遇地震作用下基底剪力的3.5倍和5.3倍。說(shuō)明了結(jié)構(gòu)X向抗震構(gòu)件在罕遇地震中耗能性能比Y向好。對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)X、Y向最大頂點(diǎn)位移分別為183、255mm,最大層間位移角分別為1/266(15層)、1/250(19層),均小于高規(guī)中限值1/120。滿足“大震不倒”預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

地震波TH099TG040作用下,整體結(jié)構(gòu)剪力墻和連梁損傷情況如圖4所示。由圖4可以看出,約70%連梁出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞,20%連梁重度損壞,少數(shù)呈輕度或輕微損壞;15%墻柱出現(xiàn)重度損壞,60%墻柱出現(xiàn)輕度損壞和輕微損壞,約25%墻柱無(wú)損壞?？傮w而言,在案例中,剪力墻的抗震性能較好。

圖4 剪力墻及連梁損傷情況

從連梁形成塑性鉸的過(guò)程可以看出,最大層間位移角所在樓層附近連梁首先形成塑性鉸,然后向其他樓層連梁擴(kuò)展;絕大部分連梁進(jìn)入屈服狀態(tài),性能水準(zhǔn)處于嚴(yán)重破壞。說(shuō)明連梁屈服耗能,有效地發(fā)揮了第一道防線的作用,達(dá)到了“強(qiáng)墻肢弱連梁”的標(biāo)準(zhǔn)。

少量剪力墻重度損傷主要分布在結(jié)構(gòu)底部若干層外側(cè)短肢墻和兩端山墻,并且以拉彎或壓彎損傷為主,主要原因是在地震作用下,墻肢產(chǎn)生的軸向拉壓力不均勻,與考慮地震作用組合的軸壓比和中震作用下名義拉應(yīng)力分析的結(jié)果分布一致,外側(cè)剪力墻是相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)。

6 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)X向以短肢剪力墻為主,Y向以普通剪力墻為主的剪力墻住宅,盡管X、Y兩個(gè)主軸方向基本周期和地震作用下最大層間位移角較為接近,但X、Y兩個(gè)主軸方向剪切剛度和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異較大,其中Y向以剪力墻的彎曲剛度為主,變形特征為彎曲型;而X向由連梁和短肢墻等效剪切剛度、樓板和平面外的墻體形成連續(xù)多跨等效框架剪切剛度以及短肢墻的等效彎曲剛度組成復(fù)雜抗側(cè)剛度,變形特征為彎剪型。地震作用下,墻肢平面外提供抗側(cè)剛度同時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)力相對(duì)比較復(fù)雜,應(yīng)引起足夠重視。

(2)外側(cè)短肢剪力墻或剪力墻不考慮地震作用組合時(shí)其軸壓比基本滿足要求,考慮地震作用組合后,軸壓比超出規(guī)范限值很多,中震作用下名義拉應(yīng)力也較大,罕遇地震動(dòng)力彈塑性也驗(yàn)證了該部分墻肢損傷嚴(yán)重。

(3)高規(guī)中墻肢軸壓比驗(yàn)算不考慮地震作用組合,而按超限審查要點(diǎn)方法控制其名義拉應(yīng)力,充分考慮了地震作用對(duì)墻肢的不利影響,能有效提高剪力墻的抗震性能。

(4)針對(duì)一方向?yàn)槎讨珘Φ母邔幼≌瑯墙Y(jié)構(gòu)體系,應(yīng)當(dāng)對(duì)外側(cè)剪力墻采取更加嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施。當(dāng)中震下墻肢名義拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力;也可以通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)外側(cè)墻肢截面厚度或提高混凝土強(qiáng)度,進(jìn)一步減小混凝土的軸壓比和名義拉應(yīng)力,使平均名義拉應(yīng)力不超過(guò)兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,提高整體結(jié)構(gòu)抗震性能。

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