層高和墻厚對高層建筑剪力墻數(shù)量的影響

張 超，陳銳林，戴可以，胡 迪

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

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層高和墻厚對高層建筑剪力墻數(shù)量的影響

張 超，陳銳林，戴可以，胡 迪

(湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湘潭 411105)

運用有限元結(jié)構(gòu)軟件 SATWE 通過對工程實例計算分析，研究高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的層高和墻厚變化對剪力墻數(shù)量的影響,得出一些參建議.考慮了層高、混凝土強(qiáng)度等級、墻厚三個因素對結(jié)構(gòu)的影響，定量地分析了剪力墻的抗側(cè)剛度與各個參數(shù)變化的關(guān)系以及結(jié)構(gòu)自振周期、剛重比、地震剪力等這些力學(xué)特性參數(shù)的變化規(guī)律；同時，還通過調(diào)整剪力墻墻厚與層數(shù)變化來控制結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變來研究結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與墻厚和層數(shù)的關(guān)系.

剪力墻結(jié)構(gòu)；層高；墻厚；剛重比

隨著社會的不斷發(fā)展，高層建筑也在迅猛增加，結(jié)構(gòu)體系更加以多樣化迅速向前發(fā)展.剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑結(jié)構(gòu)體系的主要形式，對于剪力墻的合理布置數(shù)量的研究以及掌握各個因素對剪力墻剛度的影響對于節(jié)約建設(shè)成本具有指導(dǎo)性意義.

國內(nèi)對純剪力墻結(jié)構(gòu)的研究起步比較晚，對于剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻合理數(shù)量的研究最早要數(shù)傅學(xué)怡，他對不同配筋和截面材料的剪力墻的分析，得到承載力骨架曲線相匹配的墻體豎向配筋，并且得到了截面復(fù)雜剪力墻的設(shè)計方法.王全鳳等[1-4]提出了結(jié)構(gòu)中剪力墻不是剛度越大越好，還對剪力墻自身基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動對剪力墻合理剛度的影響做了研究，并得出結(jié)論.沈蒲生、孟煥陵等[5-8]推導(dǎo)出剪力墻在均布荷載、倒三角形荷載作用下滿足層間側(cè)移角條件的計算公式.錢稼茹等[9]在Alessandro Dazio等的研究基礎(chǔ)上，通過對6片剪力墻的彈塑性分析，得出邊緣構(gòu)件長度、軸壓比等對剪力墻的變形能力和承載力的影響作用.鄭竹等[10]利用Perform-3D程序?qū)ι钲诹_湖新村52層剪力墻建筑進(jìn)行罕遇地震下靜力彈塑性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在彈塑性時程與靜力彈塑性分析情況下結(jié)構(gòu)反應(yīng)相似.王國安等[11]驗算超高層結(jié)構(gòu)的豎向振動，從靜力彈塑性分析發(fā)現(xiàn)剪力墻建筑的薄弱部位.文獻(xiàn)[12-13]分別概述了某個高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，對高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題提出了解決方法.

本文以長沙市某高層剪力墻住宅樓為工程背景，研究層高、墻厚對剪力墻合理數(shù)量的影響.

1 工程概況

長沙市某30層剪力墻住宅樓，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.00 m；第30層為電梯機(jī)房，層高4.80 m；建筑物總高度91.80 m.建筑沿X方向的寬度為29.60 m，沿Y方向的寬度為16.00 m，屬于A級高度鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)，該工程的主體結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限為50年.該工程的建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震加速為0.05 g，設(shè)計地震分組為第一組，剪力墻抗震等級為三級，建筑場地類別為II類.該工程位于密集建筑群的城市市區(qū)可知地面粗糙度為C類.標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

2 層高影響分析

以 15層結(jié)構(gòu)為研究對象，層高分別取2.8 m、3.0 m、3.2 m、3.4 m.改變層高，分別從振動周期、地震剪力、剛重比這些參數(shù)隨層高的變化關(guān)系.重點對振動周期、地震剪力、剛重比等結(jié)果進(jìn)行研究分析.地震作用計算采用水平地震作用計算，地震力、風(fēng)荷載按X、Y兩個方向計算，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)取1.3，計算振型個數(shù)首次15個振型，確保有效質(zhì)量系數(shù)達(dá)到90%以上，周期折減系數(shù)取1.0，活載質(zhì)量按照規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)折減，振型組合時采用扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)組合方式并且考慮偶然偏心，地震最大影響系數(shù)在多遇地震時取0.04，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，計算結(jié)構(gòu)位移時，對所有樓層采用樓板剛性假定.

2.1 振動周期隨層高的變化

從 SATWE計算結(jié)果的數(shù)據(jù)運用origin 繪圖程序繪制出振動周期隨層高的變化曲線如圖2所示.

圖2 振動周期隨層高的變化曲線

可以看出研究的工程實例得到的振動周期基本滿足規(guī)范要求.隨著層高的增大，結(jié)構(gòu)的自震周期近似于線性增長.自振周期的增長率隨層高的增長關(guān)系見表1，隨著層高的增大，結(jié)構(gòu)自振周期的增長速率也增大，我們可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層高來控制結(jié)構(gòu)的自振周期，使得結(jié)構(gòu)剛度處于一個合理范圍.

表1 Y向自振周期隨層高增長的變化

2.2 地震剪力隨層高的變化

從 SATWE計算結(jié)果的數(shù)據(jù)運用origin繪圖程序繪制出地震剪力隨層高的變化曲線如圖3所示.

圖3 地震作用基底剪力隨層高的變化曲線

可以看出地震剪力隨剪力墻結(jié)構(gòu)層高增大而減小，結(jié)構(gòu)層高增大，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度減小，從而地震剪力也隨之減小.隨著剪力墻層高的不斷增大，地震剪力減小趨勢變緩.地震剪力的減少率隨層高的增長關(guān)系如表2所示.

表2 Y向地震剪力減少率隨層高增長的變化

2.3 剛重比隨層高的變化

從SATWE計算結(jié)果的數(shù)據(jù)運用origin繪圖程序繪制出剛重比隨層高的變化曲線如圖4所示.

可以看出隨著剪力墻結(jié)構(gòu)層高的增加，剛重比在減小，但均在規(guī)范所規(guī)定的范圍內(nèi)，同時也說明，減小剪力墻結(jié)構(gòu)的層高，可以增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，從而提高了結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.

圖4 剛重比隨層高的變化曲線

3 墻厚影響分析

以 15層結(jié)構(gòu)為研究對象，墻厚分別取200 mm、250 mm、300 mm、350 mm.改變墻厚，分別從振動周期、地震剪力、 剛重比這些參數(shù)隨層高的變化關(guān)系.由于X、Y兩個方向的計算結(jié)果變化的趨勢相近，故本文重點對Y方向振動周期、地震剪力、剛重比等結(jié)果進(jìn)行研究分析.

3.1 振動周期隨墻厚的變化

從 SATWE計算結(jié)果的數(shù)據(jù)運用origin繪圖程序繪制出振動周期隨墻厚的變化曲線如圖5所示.

圖5 振動周期隨墻厚的變化曲線

在平面布置不變、層高不變時，剪力墻結(jié)構(gòu)的周期隨著墻厚的增大而減小，我們可以增大剪力墻的厚度來增大結(jié)構(gòu)的剛度，降低周期.結(jié)構(gòu)自振周期的減少率隨墻厚的增長關(guān)系如表3所示.

表3 Y向自振周期隨墻厚增長的變化

對比表1和表3可以看出，剪力墻結(jié)構(gòu)的層高對結(jié)構(gòu)的自振周期的影響比墻厚對結(jié)構(gòu)的自振周期的影響要顯著一些.當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期不能控制在規(guī)范的范圍內(nèi)時，我們可以調(diào)整結(jié)構(gòu)層高和剪力墻厚度來控制結(jié)構(gòu)的自振周期，調(diào)整層高比調(diào)整剪力墻墻厚起到的效果會更加明顯.

3.2 地震剪力隨墻厚的變化

從SATWE計算結(jié)果的數(shù)據(jù)運用origin繪圖程序繪制出振動周期隨墻厚的變化曲線如圖6所示.

圖6 地震作用基底剪力隨墻厚的變化曲線

隨著剪力墻墻厚的增加，地震剪力近似于線性增加，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度隨著剪力墻墻厚的增大而增大，從而地震剪力也增大，當(dāng)?shù)卣鸺袅Φ脑鲩L率隨墻厚的增長關(guān)系如表4所示.

表4 Y向地震剪力減少率隨墻厚增長的變化

對比表2和表4可以看出，剪力墻墻厚對結(jié)構(gòu)地震剪力的影響比層高對結(jié)構(gòu)地震剪力影響要顯著一些.

3.3 剛重比隨墻厚的變化

從SATWE計算結(jié)果的數(shù)據(jù)運用origin繪圖程序繪制出剛重比隨墻厚的變化曲線如圖7所示.

可以看出隨著剪力墻墻厚的增加，剛重比在增加，均在規(guī)范所規(guī)定的范圍內(nèi)，同時也說明，增大剪力墻墻厚，可以增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，從而提高了結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性.

圖7 剛重比隨墻厚的變化曲線

4 結(jié)語

本文通過對不同剪力墻結(jié)構(gòu)層高、不同剪力墻墻厚運用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE進(jìn)行計算分析對比，另外，針對不同剪力墻結(jié)構(gòu)層高，通過調(diào)整剪力墻的墻厚來保證結(jié)構(gòu)的最大層間位角不變來分析層數(shù)對剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響，得出以下主要結(jié)論:

(1)隨著剪力墻結(jié)構(gòu)層高的減小和剪力墻墻厚的增加，結(jié)構(gòu)基本周期減小，結(jié)構(gòu)的剛度得到提高，且結(jié)構(gòu)層高對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響比剪力墻墻厚對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響要大.

(2)隨著結(jié)構(gòu)層高的減小和剪力墻墻厚的增加，地震剪力也在增大，且墻厚對地震力的影響比結(jié)構(gòu)層高對地震力的影響要大.在設(shè)計中，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)層高和剪力墻墻厚來改變抗側(cè)剛度的同時還應(yīng)該考慮對地震力的影響.所以墻厚、結(jié)構(gòu)層高的選取需要同時考慮對剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和地震反應(yīng)兩方面影響.

[1] 王全鳳,施士升.框架-剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)抗地震荷載剪力墻數(shù)量的優(yōu)化分析[J].土木工學(xué)報,1981,14(3):1-12.

[2] 王全鳳,施士升.50米以上高層建筑在地震荷載下剪力墻數(shù)量的確定[J].華僑大學(xué)學(xué)報,1982：96-106.

[3] 韋鵬生,王全鳳.多因素對剪力墻最優(yōu)剛度影響的綜合分析[J].工程力學(xué),1996,13(2):96-106.

[4] 李育楷,王全鳳.不需要計算機(jī)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化-概念設(shè)計[J].工業(yè)建筑,2001,31(10):21-23.

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[7] 沈蒲生,孟煥陵.基于優(yōu)化原理框-剪結(jié)構(gòu)中剪力墻合理數(shù)量[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2006,33(5):1-5.

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Effects of Floor Height and Wall Thickness on Quantity of Shear Walls in Tall Buildings

ZHANG Chao, CHEN Rui-lin, DAI Ke-yi, HU Di

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Based on the calculation and analysis of engineering examples by finite element structural software SATWE, the effects of wall thickness and floor height in tall shear walls structure on quantity of shear walls are studied, and some reference suggestions are obtained. Taking the storey height and wall thickness on the structure into account, the paper quantitatively analyzes the relationship between stiffness of shear wall and parameters variation and the change rules of mechanical characteristics such as the ratio of rigidity-to-gravity, earthquake shear force. At the same time, the law of the change between adjustment layer number of shear wall thickness and the law under the condition of guaranteeing structure down to the condition of invariable interlayer displacement angle are also analyzed.

shear walls structure; floor height; wall thickness; the ratio of stiffness to weigh

2016-11-07

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20104301120004)；教育部科學(xué)技術(shù)重點項目(211127)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項目(10B105)；第49批中國博士后科學(xué)研究基金(20110491260)；湖南省優(yōu)秀博士論文獎勵專項基金(YB2011B031).

張 超(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：道路與橋梁工程.

陳銳林(1971-)，男，副教授，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和車橋耦合振動，風(fēng)車橋系統(tǒng)動力學(xué)及其應(yīng)用.

U445

A

1671-119X(2017)02-0084-04