基于構(gòu)件變形的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

王健凡 （閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑的主要抗震構(gòu)件，通過墻體的抗剪承載能力來吸收地震力，同時在地震作用下受到水平和豎向荷載的共同作用，剪力墻結(jié)構(gòu)容易發(fā)生構(gòu)件的變形和損傷，其抗震性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑的安全性[1]。傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法使得構(gòu)件在大震作用下存在一些不足，如墻體開裂、懸臂梁形成等，為了提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力，研究基于構(gòu)件變形的剪力墻成為一個重要的課題[2]。

曹志偉等人[3]研究了裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中，豎向分布鋼筋不連接時剪力墻極限位移計算方法，并運用抗震試驗驗證了計算方法的可靠性；徐麗麗等人[3]針對剪力墻高層住宅，研究了不同設(shè)計階段的抗震變形控制方法，研究成果已成功應(yīng)用于某著名地產(chǎn)品牌開發(fā)商的高品質(zhì)住宅項目；王福明等人[4]研究了RC 剪力墻的延性抗震設(shè)計方法，并考慮了軸壓比和剪跨比的影響，理論分析指出基于提出的簡化延性抗震設(shè)計方法可以為抗震構(gòu)造措施的確定提供依據(jù)。

依托福建省龍巖市某高層框架式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓項目，本文深入研究構(gòu)件變形對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響機理，運用數(shù)值模擬手段分析剪力墻在不同地震抗震設(shè)防和不同地震波輸入條件下的層間位移角變化特征，以研究以變形控制的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能，研究成果對提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計水平和保障建筑安全具有重要意義，有助于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低地震帶來的損失，也可為相關(guān)規(guī)范和標準的修訂提供依據(jù)，為剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供理論支持和實踐指導(dǎo)。

1 工程概況

福建省龍巖市某高層框架式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓項目擬建10 個單體居民樓建筑，工程類別為民用一類高層建筑，總建筑面積約15 萬m2，設(shè)地下室1 層，地下室建筑面積為24150m2，其中人防面積為4630m2，地上建筑為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上結(jié)構(gòu)層數(shù)均為31層，樓層高度為93.8m，其中首層高度為3.8m，其余樓層高度為3.0m，標準層的結(jié)構(gòu)平面大致呈“十字形”，長度方向為35.3m，寬度方向為31.7m，標準差結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。結(jié)構(gòu)框支柱采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，框支柱的截面尺寸為200mm×200mm、230mm×230mm，混凝土等級為C50，剪力墻厚度為300mm，剪力墻混凝土等級為C40，連梁寬度與剪力墻厚度一致，連梁高度為400mm，連梁混凝土等級為C40。

圖1 某高層框架式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓標準層平面布置

2 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震分析計算

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震計算方法的確定

基于構(gòu)件變形的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能計算方法主要有四種，分別是彈性分析法、彈塑性分析法、能量法和有限元法。其中，彈性分析法假定剪力墻結(jié)構(gòu)處于彈性階段，通過分析構(gòu)件的應(yīng)力和變形來計算結(jié)構(gòu)的抗震性能，這種方法比較簡單，適用于結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性響應(yīng)分析[5]；彈塑性分析考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)的非線性性能，通過分析構(gòu)件的彈塑性變形和損傷來計算結(jié)構(gòu)的抗震性能，這種方法能夠更準確地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，但需要采用更為復(fù)雜的計算方法；能量法通過分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量吸收和耗散來計算結(jié)構(gòu)的抗震性能，這種方法能夠考慮到結(jié)構(gòu)的損傷和破壞過程，但需要對能量的計算和分析方法進行合理的處理[6]；有限元法將剪力墻結(jié)構(gòu)劃分為多個單元，利用有限元軟件進行數(shù)值模擬計算，這種方法可以充分考慮剪力墻結(jié)構(gòu)的非線性性能和構(gòu)件之間的相互作用，能夠得到較為全面的抗震性能評估結(jié)果，但需要注意的是，有限元模型的建立和參數(shù)的選取對于計算結(jié)果的準確性具有較大的影響，需要進行仔細的分析和驗證。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震計算參數(shù)的確定

剪力墻結(jié)構(gòu)抗震計算時，抗震設(shè)防烈度設(shè)為兩種工況，分別為7度（0.10g）和8度（0.20g），結(jié)構(gòu)施加的基本風壓荷載統(tǒng)一取為0.35kN/m2；衛(wèi)生間活荷載取為1.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；客廳、臥室和廚房的活荷載取為2.0kPa，附加恒載取為1.5kPa；陽臺活荷載取為2.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；消防樓梯活荷載取為3.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；電梯、前室、走廊活荷載取為3.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；車庫活荷載取為4.0kPa，附加恒載取為2.5kPa；屋面活荷載取為2.0kPa，附加恒載取為3.5kPa。7度和8度抗震條件剪力墻軸壓比限值均為0.6，剪力墻底部加強區(qū)軸壓比限值均為0.5；7度設(shè)防結(jié)構(gòu)模型最大彈性層間位移角限制為1/800，8度設(shè)防結(jié)構(gòu)模型最大彈性層間位移角限值為1/500。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震計算地震波的確定

剪力墻結(jié)構(gòu)抗震計算地震波的選定，需考慮地震波的持續(xù)時間、地震波頻譜特性和地震波的峰值調(diào)整等。一般而言，地震波的有效持續(xù)時間長度應(yīng)為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10 倍，單條波計算的基底剪力與規(guī)范反應(yīng)譜計算的基底剪力誤差應(yīng)在±35%內(nèi)，幾條地震波計算的基底剪力平均值與規(guī)范反應(yīng)譜計算的基底剪力誤差應(yīng)在±20%內(nèi)[7-8]。研究采用5 條地震波進行結(jié)構(gòu)的時程計算，分別是Osaka地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波、Northridge 地震波和汶川地震波。對5 條地震波的計算，計算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法（CQC 法）進行對比，結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，與振型分解反應(yīng)譜法（CQC 法）相比，單條地震波時程分析計算得到的基地剪力誤差小于±35%，多條地震波時程分析計算得到的基地剪力平均值誤差小于±20%。

表1 不同地震波的基地剪力計算結(jié)果對比

3 基構(gòu)件變形的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析

圖2 為7 度抗震設(shè)防不同地震波輸入條件下剪力墻結(jié)構(gòu)的X 向?qū)娱g位移角變化曲線。從圖2 中可以看出，5 條地震波輸入條件下，剪力墻結(jié)構(gòu)的X 向?qū)娱g位移角變化規(guī)律較為相近，層間位移角均隨著樓層的增加整體呈現(xiàn)先增加后減小的非線性變化趨勢，且在局部樓層出現(xiàn)小幅度的波動，最大層間位移角位于樓層的中部，約9 層～11 層位置，頂層的層間位移角大于底層的層間位移角，因此在抗震設(shè)防時，樓層中部為潛在的結(jié)構(gòu)薄弱層，需要保證在薄弱層出現(xiàn)正截面屈服時，構(gòu)件的變形能夠滿足限制要求即可滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求；Osaka地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波輸入條件下，得到的X向?qū)娱g位移角較為接近，而在Northridge地震波輸入條件下，X 向?qū)娱g位移角有所增加，但增加幅度較小，X 向最大層級位移角接近于0.01，汶川地震波輸入條件下，X向?qū)娱g位移角相比于前4中地震波形得到大幅度增加，結(jié)構(gòu)5層～21層的X向?qū)娱g位移角大于0.01，最大層間位移角達到0.02，由此可以看出汶川地震波的破壞強度巨大，在剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時，選擇合適的地震波波形顯得尤其重要。

圖2 不同地震波剪力墻結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角（7度）

圖3 為7 度抗震設(shè)防不同地震波輸入條件下剪力墻結(jié)構(gòu)的Y 向?qū)娱g位移角變化曲線。從圖3 中可以看出，5 條地震波輸入條件下，剪力墻結(jié)構(gòu)的Y 向?qū)娱g位移角變化與X 向?qū)娱g位移角的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為先增加后減小的非線性變化趨勢，汶川地震輸入條件下得到的Y 向?qū)娱g位移角最大，Northridge 地震波得到的Y 向?qū)娱g位移角次之，Osaka 地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波輸入條件下得到的Y向?qū)娱g位移角最小且相近。

圖3 不同地震波剪力墻結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角（7度）

圖4 為8 度抗震設(shè)防不同地震波輸入條件下剪力墻結(jié)構(gòu)的X向?qū)娱g位移角變化曲線，圖5為8度抗震設(shè)防不同地震波輸入條件下剪力墻結(jié)構(gòu)的Y向?qū)娱g位移角變化曲線。從圖4 和圖5 中可以看出，8 度抗震設(shè)防時，不同地震波輸入條件下得到的X向和Y向?qū)娱g位移角與7 度抗震設(shè)防時得到的X 向和Y 向?qū)娱g位移角具有相似的變化特征，但也存在一定程度的差異，即層間位移角曲線隨著樓層的增加，在局部樓層呈現(xiàn)更為明顯的波動，5條地震波輸入條件下得到的最大層間位移角均比7度抗震設(shè)防大。

圖4 不同地震波剪力墻結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角（8度）

圖5 不同地震波剪力墻結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角（8度）

4 結(jié)語

以福建省龍巖市某高層框架式剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓項目為研究對象，運用數(shù)值計算方法，對5 種不同地震波波形輸入條件下的剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角變化規(guī)律進行分析，得到以下幾個結(jié)論：

（1）與振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）相比，單條地震波時程分析計算得到的基地剪力誤差小于±35%，多條地震波時程分析計算得到的基地剪力平均值誤差小于±20%。

（2）5 條地震波輸入條件下，剪力墻結(jié)構(gòu)X 向與Y向?qū)娱g位移角均表現(xiàn)為先增加后減小的非線性變化趨勢，汶川地震輸入條件下得到的層間位移角最大，Northridge 地震波得到的層間位移角次之，Osaka 地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波輸入條件下得到的層間位移角最小且相近。

（3）8 度抗震設(shè)防時，不同地震波輸入條件下得到的X 向和Y 向?qū)娱g位移角與7 度抗震設(shè)防時得到的X向和Y 向?qū)娱g位移角具有相似的變化特征，但局部樓層呈現(xiàn)更為明顯的波動，5條地震波輸入條件下得到的最大層間位移角均比7度抗震設(shè)防大。