剪力墻布置對板柱-剪力墻結構扭轉效應的影響

郭 楠,朱 金,楊穎偉

(1.東北林業大學 土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)(2.江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,江蘇 鎮江 212003)

建筑結構由于自身質心與剛心不重合等原因,在地震作用下,不僅會產生水平移動,還會引起扭轉效應.國內外多次大地震的震害結果表明,結構的平面不規則、質心與剛心不重合以及抗扭剛度較弱時,在地震中受到的破壞一般比較嚴重.一些振動臺試驗的研究結果也表明,如果結構存在扭轉效應,其破壞一般比較嚴重[1-2].基于上述原因,我國的《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)和《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)引入扭轉不規則的概念,并規定了一些限定結構扭轉效應的定量指標.剪力墻是板柱-剪力墻結構的主要抗側力構件,其布置是否合理直接影響此類結構的扭轉效應.因此,研究剪力墻平面布置對板柱-剪力墻結構扭轉效應的影響對弄清此類結構的抗震性能和促進此類結構在抗震區的推廣應用具有重要意義.

一些學者對板柱-剪力墻結構的抗震性能[3]和動力特性進行了研究,包括試驗研究[4]和非線性有限元分析[5]2個方面.剪力墻布置對結構扭轉效應影響的研究主要集中在框架-剪力墻結構中[6],對板柱-剪力墻結構的研究相對較少.眾所周知,板-柱體系的抗側剛度相比框架體系來說要小,也即剪力墻布置對板柱-剪力墻結構扭轉效應的影響更為突出,因此有必要對其進行專門研究.

文中應用ABAQUS有限元程序,對板柱-剪力墻結構進行建模分析,考慮了4種典型的剪力墻布置方案,研究了板柱-剪力墻結構的動力特性,扭平周期比和各樓層的扭轉位移比,進而評價板柱-剪力墻結構的扭轉效應.

1 結構基本情況

以9層3跨的板柱-剪力墻結構為例,進行有限元分析,該結構坐落于8度區,Ⅱ類場地,設計地震分組為第一組.為了使分析結果具有代表性,認為所有剪力墻的數量相同,且截面尺寸相等,4種典型的剪力墻平面布置如圖1(其中BZQ代表板柱-剪力墻結構,數字對應4種不同的剪力墻布置).

a) BZQ-1

b) BZQ-2

c) BZQ-3

模型中結構的雙向網尺寸均為7 500 mm,層高3 600 mm,板厚210 mm.主要抗側力構件的抗震等級均為一級,按計算要求和相關構造措施確定結構配筋,柱中配置縱筋12Φ25,剪力墻配雙層雙向鋼筋網片φ10@200.柱上板帶負筋Φ18@100,正筋Φ16@150,并形成構造暗梁,跨中板帶配筋量為柱上板帶的一半.為了滿足板柱節點的抗沖切性能,在板柱節點位置配置了錨栓.每種板柱-剪力墻結構的基本情況見表1.

表1 結構基本情況Table 1 Basic information of structures

2 有限元建模及動力特性分析

采用大型有限元分析程序ABAQUS,分析4種剪力墻典型布置方案的板柱-剪力墻結構,計算單元及材料本構關系選擇參見文獻[7],結構的三維實體有限元模型如圖2.

對4種剪力墻典型布置方案的板柱-剪力墻結構進行動力特性分析[8],可知結構的振型可分為3種,即平移振型(結構沿某一方向水平移動)、扭轉振型(結構在水平方向發生扭轉)和樓板振型(樓板沿豎向移動),如圖3.

通過結構動力特性分析,得到4種剪力墻典型布置方案的板柱-剪力墻結構的前18階周期和振型,如表2.

a) BZQ-1

b) BZQ-2

c) BZQ-3

d) BZQ-4

a)平移振型

b)扭轉振型

c) 樓板振型

表2 結構周期及振型分類Table 2 Periods and mode classification of structures

由表2可知,當剪力墻集中布置在結構的中部區域時(方案BZQ-2),由于中部的剪力墻形成筒體,增加了結構的抗側剛度,所以周期最短,但從結構周期的數值來看,當剪力墻的數量和截面尺寸相同時,布置形式對板柱-剪力墻結構的抗側剛度略有影響,但影響不大.從振型歸類方面來看,由于方案BZQ-2的剪力墻集中布置在結構中部區域,抗扭剛度較小,方案BZQ-3和方案BZQ-4的剪力墻布置不對稱,與剪力墻對稱布置于周邊的方案BZQ-1相比,采用上述3種剪力墻布置方案的結構扭轉振型較多,且扭轉振型的階數相對靠前.

3 結構的扭轉效應

結構扭轉為主的第1自振周期Tt與平移為主的第1自振周期T1的比值簡稱為扭平周期比.該比值反應了結構的抗扭剛度,Tt/T1值越大,結構的抗扭剛度越小,扭轉效應越明顯.因此,扭平周期比是判定板柱-剪力墻結構扭轉效應的重要參數之一.

4種剪力墻典型布置方案的板柱-剪力墻結構的扭平周期比Tt/T1如表3.

表3 各結構的扭平周期比Table 3 Ratios of torsion periods to translation periods of every structures

由表3可知,方案BZQ-1中,由于剪力墻布置在結構周邊,扭平周期比Tt/T1較小;方案BZQ-2中,由于剪力墻集中布置在結構的中部區域,扭平周期比Tt/T1較大.這是因為剪力墻布置在結構周邊時,結構的抗扭剛度相對較大的緣故.方案BZQ-3及方案BZQ-4的剪力墻雖然也布置在結構的周邊,但由于剪力墻布置不對稱,所以其Tt/T1值介于二者之間.

上述研究表明,剪力墻布置在結構周邊能夠有效地減小結構的扭平周期比,即使結構存在一定程度的偏心,但因為結構的抗扭能力較強,扭平周期比仍然較小.

樓層最大彈性水平位移與平均位移之比稱為扭轉位移比,控制該比值的目的是為了避免產生過大的偏心,是表征結構扭轉效應的另一個關鍵參數.

對4種剪力墻典型布置方案的板柱-剪力墻結構施加水平地震作用,并考慮5%的偶然偏心影響,各樓層的扭轉位移比如表4.

表4 各樓層的扭轉位移比Table 4 Ratios of maximal elastic drifts to average drifts in each floor

由表4可知,樓層的扭轉位移比與沿受力方向質心與剛心是否重合和結構抗扭能力兩方面因素有關.由于沿受力方向的質心與剛心不重合,BZQ-4的扭轉位移比最大;對于其他3種方案,剪力墻布置沒有造成結構偏心,結構的扭轉位移比僅取決于結構的抗扭能力,故其扭轉位移比從大到小依次為BZQ-2,BZQ-3和BZQ-1.相比于扭平周期比,扭轉位移比更容易受到剪力墻布置偏心的影響,從控制扭轉位移比的角度,剪力墻布置的偏心與否和剪力墻是否布置在結構周邊同等重要.

值得一提的是,以上規律同樣適用于框架-剪力墻結構,文獻[9-10]通過對框架-剪力墻結構的分析,也得到了相同的結論.

4 結論

1)當剪力墻集中布置在結構的中部區域時,結構的抗側剛度最大,但從結構周期的數值來看,在剪力墻的數量和截面尺寸相同的情況下,其布置形式對結構抗側剛度的影響不大.

2)當結構的抗扭剛度較小或剪力墻布置不對稱時,與剪力墻對稱布置于周邊相比,其他幾種布置方案的扭轉振型較多,且扭轉振型的階數相對靠前.

3) 當剪力墻布置在結構周邊時,結構的扭平周期比Tt/T1較小,抗扭剛度較大;當剪力墻布置在結構中部時，結構的扭平周期比Tt/T1較大,抗扭剛度較小.

4)結構樓層的扭轉位移比與沿受力方向質心與剛心是否重合及結構抗扭剛度兩方面因素有關.沿受力方向質心與剛心不重合時,扭轉位移比較大;質心與剛心重合時,結構的扭轉位移比取決于結構的抗扭剛度.

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