剪力墻數量與空間位置對框架-剪力墻結構抗震性能影響的研究

閆光宇

（中建國際（深圳）設計顧問有限公司，廣東 深圳 518000）

引言

城市化進程的不斷加快，高層建筑由其獨特的優勢而越來越成為建筑的首選形式。在高層建筑中要考慮風荷載和地震等水平載荷所帶來的結構受力，需要控制側向位移以提高建筑的耐性。高層建筑物在以框架結構為主設計中，雖然具有空間分割的靈活性，但考慮的水平力作用是以剪切為主，導致需要的層間位移較大。若以剪力墻結構來設計時，不需要水平方向上很大的剪切力，但對于剪力墻的間距要求比較高，所以具有一定的局限性。在我國大多數采用的是框架-剪力墻結構來設計高層建筑，這樣可以綜合兩者的長處，具有一定的抗震性能。

這種框架-剪力墻結構中抗測力的部分是剪力墻，能提高側向剛度；抗縱向載荷部分主要的是框架結構，能使使用空間提高。在抵抗水平力的同時，兩者通過樓板來協調變形。各層之間的變形可以由此變得均勻。因此提高了各方面的抗載荷的能力，在地震中可以減少對墻體的損壞。

1 結構構件非線性地震反應分析的模型與原理

結構構件模型的建立的準確與否關系到能否準確地分析非線性反應分析。建立合理的力學模型是正確分析建筑物受力的前提，根據模型可以對建筑的變形、受力情況有個整體了解。

本文用于分析的是混凝土本構模型，這種結構模型具有一定的特點。混凝土有個開裂壓力，在受力大于這個開裂壓力的情況下就會開裂。極限應變可以導致混凝土直接不工作，

2 基于性能的剪力墻數量的合理確定

要達到抵抗偶然性的地震，就需要預計強烈地震，要保證在此地震下建筑物不受嚴重的損壞。在地震時建筑結構的受力情況已經超出了正常的情況。可以對地面運動的記錄進行分析，可以很好的描述了地震時建筑物的受力情況。

作為一種很常用的高層建筑物種的結構體系，框架-剪力墻結構在地震中可以很好地抵抗水平方向的載荷。在強烈的地震中建筑的抗側力的首要結構式剪力墻，被地震破壞后，框架結構就代替剪力墻進行抵擋地震沖擊。所以在抗震的建筑物的建設過程中，要實現的是能保持良好的變形能力，以便在各種地震的遭受破壞的程度要相對的小。

框架結構能決定建筑物在強震中能否保持不發生倒塌，延時性是框架結構的特性。框架樓層能夠承受最大的延時性是設計建筑時首要考慮的因素，通過對于不同地震波帶來的作用進行分析得出框架-剪力墻結構中的剪力墻的合理數量的設計。

基于性能的設計思想是在上世紀末的時候一位美國科學家提出來的，就是在保證性能水平的前途下能夠達到在發生地震的情況下能夠保證應有的抗震水平。

需要指出，基于性能的結構抗震設計有其特點，但它與現行的抗震設計不是截然沒有聯系的，而是一種延續和發展，從某種意義上，現行規范的“小震不壞，中震可修，大震不倒”就是一種性能要求，只是說怎樣的破壞才算可修，中震允許產生多大的破壞，這些破壞對結構物或結構內部的設備、裝修有什么影響……這些內容并沒有具體的得到量化。從這個角度來看，現行規范注意了在大震下保障生命安全，但是對如何避免地震破壞造成的巨大經濟損失是沒有足夠的注意。近年來的幾次大地震盡管人員傷亡不是很大，但經濟損失往往是巨大的，這一事實是基于性能的抗震設計的出發點。那么在我國的高烈度區的重要建筑物，就很有必要在結構設計中設定雙重目標性能，即第一類目標性能和第二類目標性能。目前廣泛采用的建筑結構常規設計方法實際上是基于規范準則，而不是基于性能準則，即目前的常規設計是完全按照規范的要求進行的，而沒有明確建筑結構的實際性能水平。

設計人員對框架—剪力墻結構進行設計時，一般步驟為：首先根據經驗和建筑師協商確定剪力墻的大致數量和位置，再進行相應烈度下的振型分解反應譜計算，驗證各項指標（變形、剪總比等）是否滿足規范要求，在局部調整之后敲定總體結構布置方案，進入施工圖設計階段。如果建筑物滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）中第5.5.2 條還需再補充驗算彈塑性變形。從上述步驟可以看出，除非屬于復雜結構或處于高烈度區的建筑，一般設計人員是不會補充彈塑性分析的，同時遵循規范設計后也無法明確設計項目在大震作用下具體的延性指標。

3 剪力墻平面布置與框架—剪力墻結構扭轉效應的關系研究

在框架—剪力墻結構中，剪力墻平面的優化布置是一項十分重要的工作，已經確定剪力墻數量的前提下，不同的剪力墻平面布置方式會導致結構表現出不同的動力特性，從而將決定建筑物整體抗震性能的優劣。剪力墻平面布置的一般原則是“均勻、分散、對稱、周邊”。“均勻、分散”是要求剪力墻的片數多，每片的剛度不要太大；不要只設置一兩片剛度很大、連續很長的剪力墻，因為片數太少，地震中萬一個別剪力墻破壞后，剩下的一兩片墻難以承受全部地震作用，截面設計也很困難（特別是連梁）。對應地基礎承受過大的剪力和傾覆彎矩，尤為難以處理。所以在方案階段宜考慮布置多片短的剪力墻，在樓層平面上均勻散開，不要集中在某一區域。“對稱、周邊”是對高層建筑抵抗扭轉的要求，剪力墻的剛度大，它的位置對樓層平面剛度的分布起決定性的作用。剪力墻對稱布置就能基本上保證了建筑物的對稱性，避免和減少建筑物受到的扭矩；另一方面，剪力墻沿建筑平面的周邊布置可以最大限度地加大抗扭轉的內力臂，提高整個結構的抗扭能力。

4 剪力墻的高度對框架—剪力墻結構非線性反應影響的分析

在框架—剪力墻結構的實際設計中，經常遇到這種情況，在結構上部由于電梯數量減少或建筑師要求布置成開敞式的大空間等原因，要減少剪力墻、芯筒的尺寸，甚至完全取消。此時這種剪力墻不到頂的結構布置方案就應運而生。目前國內工程界并不主張這樣做，原因是這將導致結構轉換層的內力變得復雜化；而國際上卻認為，結構的抗側移剛度可以沿高度發生突變，如果是框架—剪力墻結構，剪力墻甚至可以斷層，而且認為轉換層的截面設計只與該層分配到的絕對地

震作用效應有關，不必對它進行特殊加固。

評估剪力墻的不同高度對結構損傷性能的影響，可采用以下兩種分析方法：（1）動力彈塑性時程分析。輸入多條不同的地震波，將地震動的峰值加速度按不同抗震設防水準的要求進行調整，當地震波作用結束之后，利用損傷計算公式進行計算。（2）靜力彈塑性分析。在結構上施加逐步增加的水平荷載，記錄每一步結構的基底剪力、位移、剛度和等效自振周期等物理量的變化情況，當結構的頂層位移達到預先所設定的數值時，利用損傷計算公式進行計算。

采用上述第一種方法進行分析時，地震波的選取對最后結果的影響是比較大的，且計算的工作量很大，所以我們采用第二種方法計算結構在不同目標位移下的損傷指數。結構的自振周期和結構剛度之間是成比例關系的。

5 剪力墻和框架結構的協同工作原理及設計優化建議

為了對框架．剪力墻結構動力特性初步了解以及為后邊計算阻尼提供參數，首先對初始計算模型進行了模態分析。考慮到結構動力性能的影響因素，并針對不同影響因素所建立的計算模型進行模態分析。由初始計算模型的模態計算結果分析可知，本文所設計的框架-剪力墻結構平面布置對稱、規則合理；立面上質量、剛度分布較均勻，結構抗扭能力滿足要求，具有良好的整體性能，適合于計算研究；結構前面幾個低階振型的運動在總運動中占主導地位。

[1] 袁兵，黃炎生，任立飛等.框架-剪力墻基礎隔震結構的地震扭轉反應[J].華南理工大學學報（自然科學版），2006，34，(7).

[2] 薛海洪，席丁民，張曉丹.剪力墻對框架-剪力墻結構抗震性能影響分析[J].四川建筑科學研究，2010，36，(3).