張詩茂，段曉農(nóng)，唐 能，楊竹鵑

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228；2.?？诮?jīng)濟學院，海南 ?？?571127)

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開洞外墻對工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究

張詩茂1，段曉農(nóng)1，唐 能2，楊竹鵑1

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 海口 570228；2.?？诮?jīng)濟學院，海南 ?？?571127)

主要針對開洞外墻對工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進行研究.首先，借助于結(jié)構(gòu)分析軟件YJK論證所選結(jié)構(gòu)方案的合理性；其次，根據(jù)平面不同部位墻肢所分擔的水平地震剪力比例以及結(jié)構(gòu)周期比的變化規(guī)律，分析不同部位墻肢尤其是開洞外墻對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.研究表明，開洞外墻對整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及抗扭剛度貢獻明顯，而且在同等抗側(cè)剛度條件下，應(yīng)適度加大開洞外墻的橫截面積以提高該類結(jié)構(gòu)的抗震性能.

高層住宅樓； 剪力墻結(jié)構(gòu)； 開洞外墻； 抗震性能

工字型平面塔式高層住宅樓具有通風采光良好、戶型變化多樣、用地節(jié)省等優(yōu)點，在我國南方地區(qū)頗受歡迎，在?？谑小⑽牟械雀呖拐鹪O(shè)防烈度地區(qū)應(yīng)用也非常普遍.該類住宅樓一般由每層4～6戶組成，樓電梯、豎向管道等置于結(jié)構(gòu)中間部位，形成一個豎向交通中心，各住宅單元圍繞此豎向交通中心布置，形成平面形狀多樣的建筑平面[1-2].

工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)因其建筑上通風采光的需要，外圍剪力墻門窗洞口數(shù)量多且尺寸大，其受力特性已接近剪切變形為主的壁式框架剪力墻結(jié)構(gòu).壁式框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能不同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)，張東方、楊廣營等人[3]通過靜力反復(fù)荷載試驗對壁式框架的抗震性能進行了研究，認為只要設(shè)計得當，則抗震性能將優(yōu)于普通剪力墻結(jié)構(gòu).袁康、 李英民等人[4]通過理論公式推導(dǎo)及靜力彈塑性分析方法分析了壁式框架的抗震性能，認為壁式框架對剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震性能帶來不利影響，并指出應(yīng)根據(jù)其底部承擔的傾覆力矩比例分別執(zhí)行局部構(gòu)件加強、控制結(jié)構(gòu)高度等的設(shè)計規(guī)定，將有利于結(jié)構(gòu)抗震性能的充分發(fā)揮.因此，壁式框架對剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能影響較大，利用得當則可以充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗震性能.然而，在以往的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，往往不重視這類壁式框架剪力墻墻肢作為抗側(cè)力構(gòu)件的分析和設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)布置欠合理、內(nèi)力分配不均勻以及結(jié)構(gòu)抗震性能得不到充分發(fā)揮等現(xiàn)象.

因此，有必要對剪力墻結(jié)構(gòu)中壁式框架對結(jié)構(gòu)抗震性能影響進行進一步研究，本文選取?？谑械貐^(qū)典型的工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)作為研究對象，首先在對戶型進行提煉、簡化的基礎(chǔ)上，借助盈建科(YJK)結(jié)構(gòu)分析軟件計算分析進行方案比選，選定較合理的結(jié)構(gòu)方案，然后重點研究開洞外墻對所選定工字型平面剪力墻結(jié)構(gòu)模型抗震性能的影響.

1 結(jié)構(gòu)方案比選

1.1 比選原則 優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案應(yīng)是在保障結(jié)構(gòu)安全性的前提下，使材料、構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)能夠最大限度的發(fā)揮其潛在能力，達到結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一.因此，結(jié)構(gòu)方案比選的原則如下：

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化 對于結(jié)構(gòu)工程師而言，保證結(jié)構(gòu)的安全性能是首要目標.在此基礎(chǔ)上，如何最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件的性能，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同工作、結(jié)構(gòu)布置更加合理，是結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)追求的目標.在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，衡量結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計合理的重要標準是結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度分配均勻、合理，使整體結(jié)構(gòu)不存在抗側(cè)剛度突變、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯以及應(yīng)力集中等現(xiàn)象.因此，應(yīng)在設(shè)計中控制結(jié)構(gòu)的周期比、位移比、位移角和剪重比等重要抗震性能指標，使其低于或接近規(guī)范限值即可.結(jié)構(gòu)的延性和安全儲備可通過合理的構(gòu)造措施保證[5].

2)資源消耗最小化 合理利用資源，提高資源利用效率.在不影響整體結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下，盡可能使建筑結(jié)構(gòu)建造成本達到最低，使用的建筑材料(如混凝土、鋼筋)用量最少，符合建設(shè)節(jié)約型社會可持續(xù)發(fā)展的要求.

3)含墻率最小化 在剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓中，制約住房使用面積和使用靈活性的因素是剪力墻的布置位置、數(shù)量和截面尺寸.因此，應(yīng)使含墻率最小化.

1.2 結(jié)構(gòu)方案的設(shè)定 在剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中，內(nèi)隔墻剪力墻往往是影響建筑使用空間和靈活性的最大因素.因此，為分析內(nèi)隔墻對結(jié)構(gòu)抗震性能及經(jīng)濟指標的影響，設(shè)定結(jié)構(gòu)方案時僅對內(nèi)隔墻布置做調(diào)整.筆者對若干常見的工字型平面住宅樓戶型進行提煉、簡化后，提出2個結(jié)構(gòu)方案進行比選分析.

方案一 根據(jù)建筑使用功能要求，結(jié)構(gòu)方案按建筑方案布置剪力墻及開洞，對個別墻肢過長的剪力墻設(shè)置構(gòu)造洞口，如圖1a所示.

方案二 本方案外墻布置與方案一相同，去除部分內(nèi)隔墻剪力墻，如圖1b所示.

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

1.3 計算模型建立及參數(shù)取值 采用盈建科(YJK)結(jié)構(gòu)分析軟件對結(jié)構(gòu)進行計算分析.分析模型設(shè)定為25層，首層層高為3.5m，其余各層層高為3.0m，結(jié)構(gòu)總高75.5m，具體模型信息見表1.

材料參數(shù)：混凝土容重為26.0kN·m-3；鋼材容重為78.0kN·m-3，梁、板、墻主筋和箍筋強度均取360N·mm-2，墻分布筋、邊緣構(gòu)件箍筋強度均取270N·mm-2.

設(shè)計參數(shù)：設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震基本加速度為0.3g，場地類別為Ⅱ類，剪力墻抗震等級為二級，特征周期為0.35s，周期折減系數(shù)為0.98，連梁剛度折減系數(shù)取0.6，只考慮偶然偏心的影響，不考慮雙向地震作用.

1.4 結(jié)構(gòu)計算及對比分析 分別對2個結(jié)構(gòu)方案的初步計算模型進行小震作用下彈性計算，并通過反復(fù)調(diào)整墻體厚度、連梁高度及洞口尺寸等方式，使得2個結(jié)構(gòu)模型的各項整體性能指標滿足高規(guī)[6]要求，且各結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸和配筋不超限或控制在工程允許范圍內(nèi).根據(jù)后續(xù)研究的需要，依據(jù)比選原則，通過對樓層抗側(cè)剛度、樓層層間位移角、剪重比、地震作用和周期比等重要抗震性能指標[7-8]，以及混凝土用量、鋼筋用量和含墻率等經(jīng)濟指標進行對比分析，選出較合理的結(jié)構(gòu)方案.

表1 模型信息

1) 樓層抗側(cè)剛度 方案一比方案二布置的內(nèi)隔墻數(shù)量多，從圖2a可看出，方案二的X向樓層抗側(cè)剛度平均比方案一小5.7%，Y向樓層抗側(cè)剛度平均比方案一小9.1%.同時，還可以看出，樓層抗側(cè)剛度的主要差別在5層以下，5層以上樓層影響不大，說明內(nèi)隔墻對樓層抗側(cè)剛度的影響主要反映在底部樓層.

2) 樓層層間位移角 由圖2b可看出，2個方案的層間位移角均小于規(guī)范限值1/1 000.方案二在X向樓層位移角更接近于規(guī)范限值，而Y向兩者曲線基本吻合，說明方案一的抗側(cè)剛度偏大，方案二抗側(cè)剛度趨于合理.

3) 地震作用 由圖2c可知，方案一與方案二的地震作用基本持平，方案二略小，有利于結(jié)構(gòu)抗震.

4) 自振周期、周期比及剪重比 從表2可知，2個方案主振型自振周期相差不大，而周期比和剪重比也基本持平，方案二略小，說明方案二扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較低，地震作用略小.

圖2 樓層抗震性能指標曲線

5)經(jīng)濟指標 由表3可知，無論材料用量，還是含墻率，方案二均明顯小于方案一.因此，方案二的建造成本明顯比方案一低，且具有較大的建筑使用面積和較好的使用空間靈活性.

綜上所述，2個結(jié)構(gòu)方案各項抗震性能指標差別不大，均滿足抗震要求，但方案二的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度略低，而其抗扭剛度略高，遭受的地震作用也有所減小，經(jīng)濟指標的降幅明顯.因此，在工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)中，適當減少內(nèi)隔墻并不會削弱整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，反而在一定程度上會降低地震作用，結(jié)構(gòu)布置更加合理，建造成本更低.

表2 自振周期、周期比和剪重比

表3 材料用量與含墻率

說明：1.每層樓層建筑面積為454.35m2； 2.材料用量均為理論值； 3.含墻率指墻肢總橫截面積占樓層建筑面積的百分比;4.變化率指方案二比方案一降低的百分比.

2 開洞外墻對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

結(jié)構(gòu)在設(shè)計的過程中所進行的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面的調(diào)整，都是在尋求合理的結(jié)構(gòu)剛度[9].因此，有必要探討工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)中抗側(cè)剛度和抗扭剛度分布規(guī)律，分析工字型剪力墻結(jié)構(gòu)開洞外墻對抗震性能的影響.

2.1 墻肢單元編號 該結(jié)構(gòu)布置最為明顯的特點是X軸方向外墻因建筑使用功能的需要，開洞比較多且大，是壁式框架結(jié)構(gòu)，Y軸方向的4片山墻因墻肢過長也分別設(shè)有構(gòu)造洞.為了研究方便，將平面不同部位的剪力墻按平面對稱關(guān)系，分別編為墻肢單元W1，W2，W3，W4，W5，W6，W7，W8，W9，W10，W11，W12，W13，W14，如圖3所示.

2.2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度 根據(jù)文獻[9]，結(jié)構(gòu)所受到的外部作用(如樓層作用荷載、風力和地震作用等)以及建筑的自重在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作用、傳遞以及所引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)都要通過屬于結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素的剛度來完成，并且若樓層樓板假定為剛性，則可以保證結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件承受的水平力按剛度分配[10].因此，根據(jù)剛性樓板的假定，通過YJK計算結(jié)果統(tǒng)計得到底層各墻肢單元所承擔的水平地震剪力的比例(如表4)，分析各墻肢單元對抗側(cè)剛度的影響.

表4 墻肢橫截面積與剪力比

說明：1.總墻肢橫截面積為32.22m2，面積比為墻肢單元橫截面積占總墻肢橫截面積的百分比；2.類核心筒指位于平面中央樓電梯井筒構(gòu)成的中心筒體.

如表4所示，在單工況X地震作用下，X軸向墻肢單元W1～W7分擔93.5%的水平地震剪力，Y軸向墻肢單元W8～W14分擔6.5%的水平地震剪力；在單工況Y向地震作用下，X軸向墻肢單元W1～W7分擔4.3%的水平地震剪力，Y軸向墻肢單元W8～W14分擔95.7%的水平地震剪力.可見，平行于地震作用方向的墻肢提供90%以上的抗側(cè)剛度，起主要抗側(cè)作用；垂直于地震作用方向的墻肢提供不足10%的抗側(cè)剛度，對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度貢獻不明顯.

圖4 單位橫截面積墻肢分擔剪力比例圖

為了進一步研究各片墻肢單元對抗側(cè)剛度的貢獻，圖4給出單位橫截面積墻肢分擔得到的水平地震剪力比例.由圖4可知，在單工況地震作用下，位于平面中央樓電梯井筒構(gòu)成的中心筒體墻肢(以下均稱為類核心筒體墻肢)分擔的水平地震剪力最大，其次是內(nèi)隔墻墻肢，外墻墻肢則較小.而從同類型墻肢合計的貢獻比例看，主軸方向上的外墻墻肢與同方向的類核心筒墻體墻肢分擔的總剪力幾乎是1:1的關(guān)系，如W1～W4與W5、W6以及W8～W10與W11、W12.

可見，開洞外墻因開洞導(dǎo)致單肢墻體截面積小且零散，單個墻肢分擔的剪力不大，但其數(shù)量較多，合計分擔的總剪力與類核心筒體墻肢分擔的總剪力相當，反映出開洞外墻對整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度貢獻很大.

2.3 結(jié)構(gòu)抗扭剛度 結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)是平動效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的耦聯(lián)反應(yīng)，我國高規(guī)通過控制扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的比值(即周期比)，以減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動的增大效應(yīng)[11-12].一般地，周期比越小，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)就越小，說明結(jié)構(gòu)的抗扭性能越好.因此，采用改變某一片外墻墻體厚度，控制其他墻體厚度不變的方式研究開洞外墻對周期比的影響規(guī)律，進而分析平面不同部位開洞外墻對抗扭剛度的影響.

在方案二的基礎(chǔ)上改變平面上不同位置外墻的厚度，設(shè)定方案a，b，c與方案二比較，得到各方案前三階振型自振周期，并計算出周期比Tt/T1，如表5所示，其中第一扭轉(zhuǎn)周期均在第三振型，即Tt= T3.

方案a：墻肢單元W1，W4沿全樓加厚至350mm，其他墻肢不變.

方案b：墻肢單元W2，W3沿全樓加厚至350mm，其他墻肢不變.

方案c：墻肢單元W8，W9沿全樓加厚至350mm，其他墻肢不變.

表5 自振周期與周期比

從表5可知，加厚外墻后，各振型的自振周期均有減小，抗側(cè)剛度和抗扭剛度提高.同時，通過對比各方案前三階自振周期可知，X向外墻W1,W4和W2，W3對抗側(cè)剛度的影響程度相當，而平面位置離類核心筒較遠的墻W1，W4對抗扭剛度的影響更明顯，Y向外墻W8，W9對結(jié)構(gòu)抗扭剛度影響很小.對比各方案周期比發(fā)現(xiàn)，相對方案二，只有方案a周期比減小，方案b、方案c均增大.可見，加厚平面位置離類核心筒較遠的第一振型方向的外墻，能有效減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng).

3 結(jié) 論

主要針對開洞外墻對工字型平面高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響進行研究，研究成果表明：開洞外墻對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、抗扭剛度貢獻十分顯著,并呈現(xiàn)出如下規(guī)律：

1) 簡單地增加內(nèi)隔墻剪力墻，對抗側(cè)剛度有貢獻，但對其抗扭剛度貢獻不明顯，而且還會增加建造成本，影響使用空間.因此，應(yīng)控制此類墻體的數(shù)量，并使其平面布置的部位盡量靠結(jié)構(gòu)平面外側(cè)；

2) 位于平面中央的類核心筒體墻肢對樓層抗側(cè)剛度的貢獻很大，是主要的抗側(cè)力構(gòu)件；同時，在2個主軸方向上的開洞外墻墻肢同樣為整體結(jié)構(gòu)提供了較大的抗側(cè)剛度，且貢獻的比例不低于類核心筒體.在該類結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，應(yīng)充分發(fā)揮開洞外墻對整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度貢獻的潛能；

3) 加厚平面位置離類核心筒較遠的第一振型方向的外墻，能有效減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng).

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Effects of Exterior Walls with Openings on Seismic Performances of the Shear-wall Structure of a Tall Residential Building with I-Shaped Plan

Zhang Shimao1, Duan Xiaonong1, Tang Neng2, Yang Zhujuan1

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China;2. Haikou College of Economics, Haikou 571127, China)

In our report, the effects of exterior walls with openings on seismic performances of the shear-wall structure of a tall residential building with I-shaped plan were analyzed. Firstly, YJK structure analysis software was used to demonstrate the rationality of the chosen structural scheme; secondly, according to the proportion of the horizontal seismic shear shared by wall limb of different parts in plan and the rule of natural variation period ratio of the torsional motion to the translational motion of the structure, the effects of the shear-wall of different parts, especially the exterior walls with openings, on seismic performances of the structure were analyzed. The results indicated that the contribution of the exterior walls with openings to the whole structure’s lateral stiffness and torsional stiffness is evident, which can provide references for seismic design of the similar engineering structures.

tall residential building; shear-wall structure; exterior wall with opening; seismic performance

2015-01-19

張詩茂(1989-)，男，海南?？谌?，2012級碩士研究生，研究方向：工程抗震，E-mail:342925607@qq.com

段曉農(nóng)(1965-)，男，甘肅平?jīng)鋈耍苯淌?，碩士生導(dǎo)師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及其應(yīng)用、空間鋼結(jié)構(gòu)，E-mail：duanxnng@qq.com

1004-1729(2015)03-0264-07

TU

ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0048