高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析

【摘要】多年來，廣大勞動人民在同地震的抗?fàn)幹蟹e累了豐富的防震、抗震經(jīng)驗。當(dāng)前，人們抗御地震的主要途徑包括兩個方面:一方面是地震預(yù)報，通過觀察、研究地震發(fā)生前的預(yù)兆，在震前發(fā)出預(yù)報，以便及時采取措施，從而減少生命及財產(chǎn)損失，這是地震工作者的任務(wù)。但目前對地震的研究還不是很透徹，地震預(yù)報的準(zhǔn)確性并不高;另一方面是工程抗震，研究如何提高建筑物抵抗地震的能力，使其在遭受地震時不致嚴(yán)重破壞。因此，本文進(jìn)行高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析具有重要意義

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

（一）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的定義

短肢剪力墻屬于剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3一2002，短肢剪力墻是指墻肢截面高度和厚度之比為5一8的剪力墻。短肢剪力墻的形狀常為T形、L形、〕形、+形，短肢剪力墻水平斷面多采用T形、L形、Z形等截面的形式，分別適用建筑內(nèi)外墻交接處，墻體轉(zhuǎn)角處和外墻連續(xù)短肢剪力墻的特點有以下幾個方面：

1.結(jié)合建筑平面，利用隔墻位置來布置豎向構(gòu)件，基本不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。

2.墻的數(shù)量可多可少，肢可長可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置以調(diào)整剛度大小及剛度中心的位置。

3.布置靈活，較易處理支撐樓蓋的要求，樓蓋可用肋形梁樓蓋，亦可用大跨度平板樓蓋;

4.視建筑平面及抗側(cè)力的需要，對中心豎向交通區(qū)可處理成筒體或同樣做成短肢剪力墻。

5.由于剪力墻代之以短肢墻加砌體，房屋總重量可以減輕，加快了施工速度，地震反應(yīng)因而減小，這又利于降低造價。

6.當(dāng)下部數(shù)層要求為大空間時，相對普通剪力墻結(jié)構(gòu)而言，較易通過轉(zhuǎn)換層來處理上下部結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

（二）短肢剪力墻的受力特點

1短肢剪力墻一般情況下較為高細(xì)，破壞形態(tài)由受彎承載力控制，延性較好。

2短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的連梁是一個耗能構(gòu)件，在振動臺試驗中出現(xiàn)了兩種破壞形態(tài):彎曲破壞，剪切破壞。

3短肢剪力墻是一種強(qiáng)肢弱梁形的聯(lián)肢墻，在大部分情況下連梁首先開裂，然后墻肢開裂。

4構(gòu)件的延性隨肢高厚比的增加迅速降低，構(gòu)件的承載力并未隨墻肢剛度的增加而增加。連梁和墻肢的剛度比影響短肢墻的受力性能，取在0.03-0.05范圍內(nèi)較好。

5墻肢的翼緣和腹板相交處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)明顯的上下貫通裂縫。

6短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣及角部處的墻肢，當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，這些部位的墻肢首先開裂，因此應(yīng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施，如減小軸壓比、增加縱筋和箍筋的配筋率。

7一字形墻肢的破壞最為嚴(yán)重。短肢剪力墻應(yīng)盡量設(shè)翼緣。

（三）軸壓比限值

根據(jù)國內(nèi)目前所做的實驗結(jié)果，當(dāng)剪力墻所承受的軸壓力較大時，延性較差，原因在于此時剪力墻處在壓彎狀態(tài)下，受壓區(qū)較高，呈小偏心狀態(tài)，所以要限制軸壓比。出于改善延性的考慮，短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下的軸壓比，抗震等級為一、二、三時分別不宜大于0.5，0.6，0.7。對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，由于延性較差，軸壓比限值相應(yīng)降低0.1。

（四）短肢剪力墻的布置

進(jìn)行短肢剪力墻布置的時候，應(yīng)注意使結(jié)構(gòu)的剛度適宜，傳力路徑明確，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)較早地介入建筑專業(yè)的方案設(shè)計，使結(jié)構(gòu)布置既能滿足建筑功能的要求，又能作到經(jīng)濟(jì)合理。

2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系動力時程分析

在建筑物遭受強(qiáng)烈地震作用時，結(jié)構(gòu)將進(jìn)入彈塑性階段，結(jié)構(gòu)剛度隨之發(fā)生變化，并出現(xiàn)了內(nèi)力重分布。特別是對于復(fù)雜的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其薄弱部位可能會在大震作用下首先進(jìn)入塑性階段，吸收大量地震能量后發(fā)生破壞，甚至可能因為局部破壞導(dǎo)致建筑物倒塌。以往的彈性分析方法無法準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)在大震作用下進(jìn)入塑性階段后的真實內(nèi)力和變形狀態(tài)，更不能給出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過程。為了研究高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性變形和結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后的真實反應(yīng)，非常有必要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的彈塑性動力時程分析法，是將建筑物作為彈塑性振動系統(tǒng)，直接輸入地面地震加速度記錄，對運動方程直接積分，從而獲得系統(tǒng)各質(zhì)點的位移、速度、加速度和結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震剪力的時程變化曲線。時程分析法考慮了地震動的峰值、頻譜特性和持續(xù)時間三要素以及結(jié)構(gòu)的動力特性等重要因素，因而該方法能比較準(zhǔn)確完整地反映出結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下反應(yīng)的全過程狀況，到目前為止，彈塑性動力時程分析法被認(rèn)為是進(jìn)行抗震變形驗算和震害分析最為精確可靠的方法。

目前，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多。盡管我們在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是由于試驗條件及試驗成本的限制，我們還不能通過試驗把短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究透徹。因此，采用數(shù)值分析的方法對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行彈塑性性能分析，也就有了很重要的現(xiàn)實意義。本文采用彈塑性動力時程分析方法，計算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的罕遇地震反應(yīng)，根據(jù)計算結(jié)果，分析其抗震性能，檢驗罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)是否能滿足抗震設(shè)防目標(biāo)要求。

3 利用EPDA軟件進(jìn)行彈塑性動力分析

利用EPDA軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈塑性動力時程分析。EPDA是中國建筑科學(xué)研究院在原有的線彈性分析程序的基礎(chǔ)上，開發(fā)的彈塑性動力時程分析軟件。EPDA具有如下特點:

(l)完全空間化的計算模型。EPDA程序是完全基于空間模型而設(shè)計的，盡量做到計算模型能夠真實地模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)，最大限度地避免了計算模型所帶來的計算誤差。

(2)前后處理功能強(qiáng)。自動讀取PMCAD的幾何信息、荷載信息，SETWE、TAT、PMSAP軟件模塊的設(shè)計分析結(jié)果，對鋼筋混凝土構(gòu)件，自動讀取計算配筋，用戶可以交互修改實際配筋。

(3)程序所提供的材料本構(gòu)關(guān)系力求做到準(zhǔn)確和符合中國規(guī)范。鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙折線的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，用戶可以自由控制塑性階段的楊氏模量折減。混凝土的本構(gòu)關(guān)系給出了雙折線和三折線兩種形式，可以考慮材料的受拉開裂、裂縫閉合、壓碎退出工作等混凝土材料所特有的復(fù)雜特性;其中的三折線滯回本構(gòu)關(guān)系是按照我國現(xiàn)行的混凝土規(guī)范采用等能量方法得到的，有著較高的擬合精度。

(4)EPDA程序采用了目前階段可能使用的較為先進(jìn)的梁單元模型。梁、柱、支撐等一維構(gòu)件采用纖維束模型模擬，纖維束模型的適用性好，不受截面形式和材料限制，是一種較為精確的桿系有限單元模型。同時，程序給出了直觀的桿系單元端部塑性鉸判斷方法。

(5)剪力墻的彈塑性性質(zhì)模擬是混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性分析的難題，EPDA將彈性墻單元進(jìn)行了推廣，考慮其彈塑性性質(zhì)，使用彈塑性墻單元來模擬剪力墻的彈塑性性質(zhì)。這種單元計算效率高、精度好，可以較真實地分析和顯示剪力墻的彈塑狀態(tài)。

(6)為了提高程序的計算效率，EPDA程序的線性方程組解法在給出了通常的LDLT解法的同時，還給出了波前法和兩種較為有效的有預(yù)處理功能的共扼斜量法(PCG)解法，使得程序的求解效率明顯提高。

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)抗震性能分析，就是通過結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計算，包括結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的地震內(nèi)力(層剪力、截面彎矩、剪力和軸力等)計算和地震變形(側(cè)移、層間側(cè)移、構(gòu)件撓度、截面轉(zhuǎn)角等)計算，分析判斷結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在地震作用下的反應(yīng)狀況，從而為抗震設(shè)防提供量化依據(jù)，結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施也能做到有的放矢。本文研究高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震性能對更好的發(fā)展住宅建設(shè)、滿足人民長遠(yuǎn)的生活需要、建設(shè)更好更多的綠色住宅具有重要意義.

參考文獻(xiàn)

[1]陳宗平，張喜德，蘇益聲，趙鴻鐵. 一種新型混凝土異形柱——型鋼混凝土異形柱的概念體系初探[J]. 四川建筑科學(xué)研究， 2006，(02)

[2]郭澤英，蔣周剛. 短肢剪力墻的修正空間剛度矩陣及動力反應(yīng)分析[J]. 四川建筑科學(xué)研究， 2007，(03)

[3]閻艷偉，李青寧，郭澤英，贠亞軍，李小梅. 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)精細(xì)彈塑性地震反應(yīng)分析[J]. 四川建筑科學(xué)研究， 2008，(06)

[4]張守軍，李青寧，李銳，方運紅. T形短肢剪力墻彈塑性受力性能優(yōu)化分析[J]. 四川建筑科學(xué)研究， 2009，(01)

[5]汪其兵. 長肢一字形截面柱極限承載力的研究[J]. 安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報， 2009，(03)

[6]曹萬林，盧智成，張建偉. 三控制型核心筒懸掛結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2006，(02)