高層剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角的調(diào)整

王中士 張會伍

(1.商丘市華廈建筑設(shè)計有限公司，河南 商丘 476000； 2.河南大正投資置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000)

高層剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角的調(diào)整

王中士1張會伍2

(1.商丘市華廈建筑設(shè)計有限公司，河南 商丘 476000； 2.河南大正投資置業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000)

對高層剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角的構(gòu)成進行了理論解析，并結(jié)合工程實例，給出了在風(fēng)荷載作用下高層剪力墻結(jié)構(gòu)最大彈性層間位移角調(diào)整的若干方法，為同類問題的研究積累了經(jīng)驗。

風(fēng)荷載，高層剪力墻結(jié)構(gòu)，層間位移角，調(diào)整

一般對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括兩個方面：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。對高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往是由正常使用極限狀態(tài)來控制。這就要求高層建筑在地震或風(fēng)荷載作用下要滿足水平變形的要求，水平變形過大則導(dǎo)致：

1)豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生裂縫或損壞，進而影響結(jié)構(gòu)的承載力；2)幕墻、隔墻、填充墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞；3)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性受到影響。因此JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[1]第3.7.3條和GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[2]第5.5.1條規(guī)定高度不大于150 m的高層建筑，對純剪力墻結(jié)構(gòu)其樓層層間最大位移與層高之比Δui/hi不宜大于1/1 000。而對高層建筑彈性層間位移角主要是由風(fēng)荷載控制，地震作用往往不起控制作用，特別是在低烈度地區(qū)的沿海城市風(fēng)荷載控制層間位移角尤為突出。

1 彈性層間位移角的解析

層間位移角在宏觀上反映了建筑物側(cè)向剛度的大小，對層間位移角的控制也就是保證了高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的抗側(cè)剛度。彈性層間位移角為樓層層間最大彈性水平位移與對應(yīng)樓層層高之比，即：θi=Δui/hi。其限值[θi]為鋼筋混凝土豎向構(gòu)件開裂時對應(yīng)的層間位移角。由層間位移角的公式可知，求得樓層層間最大彈性水平位移即可得層間位移角。因此控制層間位移角相當(dāng)于控制該樓層所有豎向構(gòu)件的層間位移，當(dāng)樓蓋為剛性時，對于大多數(shù)不對稱結(jié)構(gòu)，則同一榀抗側(cè)力結(jié)構(gòu)各豎向構(gòu)件的層間位移角可視為相等(層高一致時)[3]。由于高層建筑在水平力的作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)幾乎無法避免，所以Δui的最大值一般在結(jié)構(gòu)單元的盡端處。樓層層間最大位移Δui以樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移差計算，不扣除整體彎曲轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的側(cè)移，主要是因為高度不大于150 m的常規(guī)高度高層建筑的整體彎曲變形相對影響較小，但當(dāng)高度超過150 m時，以彎曲變形為主的高層建筑結(jié)構(gòu)整體彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移即非受力位移有較快的增長，增長的部分在整體層間側(cè)移中占有相當(dāng)?shù)谋壤詰?yīng)扣除此部分的變形，若不扣除此部分的變形，則位移角限值可以適當(dāng)放寬。層間位移Δui包括非受力位移Δui-1和受力位移Δuid，如圖1所示，其中受力位移引起的變形為有害變形，它對應(yīng)的是有害層間位移角θid。

當(dāng)各層層高相等時，即hi=hi-1，假如C點作用有剪力Qi，彎矩Mi，層間的剪力墻作為剛體，自身不發(fā)生變形，剛體在第i層底發(fā)生轉(zhuǎn)角θi-1，即第i-1層的層間位移角繼續(xù)向上延伸所得。則第i層的層間位移Δui[3]為：

(1)

非受力位移:

Δui-1=θi-1hi

(2)

受力位移:

(3)

得：

Δui=Δui-1+Δuid

(4)

另外，由圖1的幾何關(guān)系可知：

Δui=ui-ui-1

(5)

(6)

(7)

(8)

其中,E，G分別為墻體材料彈性模量及剪切模量；Ii，F(xiàn)i分別為墻體截面繞厚度方向的抗彎剛度及截面面積；μ為截面剪應(yīng)力不均勻系數(shù)；Δui為第i層的層間位移；Δui-1為第i-1層的層間位移亦等于第i層底部轉(zhuǎn)角引起的剛體位移，即為非受力位移；Δuid為第i層的有害層間位移即第i層的受力位移；ui為第i層的位移，圖1中CC′之間的距離；ui-1為第i-1層的位移，圖1中BB′之間的距離；θi為第i層彈性層間位移角；θi-1為第i-1層彈性層間位移角；θid為第i層有害層間位移角即第i層上、下樓蓋的轉(zhuǎn)角差由受力位移引起；hi為第i層層高；hi-1為第i-1層層高。

2 工程實例

2.1 工程簡介

本工程為南方某7號樓，地震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場地類別為Ⅲ類，剪力墻結(jié)構(gòu)，50年一遇基本風(fēng)壓為0.8 kPa，地面粗糙度為B類，X方向建筑長44 m，Y方向建筑最大寬度18.2 m，最小寬度9.9 m，總高度99.99 m。

2.2 層間位移角調(diào)整的過程

根據(jù)建筑墻體布置和使建筑兩個方向的動力特性相近。由于Y向為建筑物的弱向，需在Y向布置剪力墻多一些，然后采用SATWE軟件試算，計算時采用全樓面剛性樓板假定。計算結(jié)果見圖2。

由計算知：地震作用下的層間位移角均滿足規(guī)范的要求，但在風(fēng)荷載作用下，X向最大層間位移角出現(xiàn)在13層，為1/1 566，滿足規(guī)范要求；Y向最大層間位移角出現(xiàn)在24層，為1/908，不滿足規(guī)范要求；可見對此建筑的層間位移角風(fēng)荷載起控制作用。

由于Y向?qū)娱g位移角與規(guī)范相差很大，通過局部調(diào)整，無法滿足規(guī)范要求，因此可通過下列手段調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度：

1)調(diào)整Y向剪力墻的結(jié)構(gòu)布置，增加Y向剪力墻的數(shù)量；

2)高層建筑的剪力墻最好不要有一字墻，更不要有一字短肢墻，Y向剪力墻應(yīng)盡量做成L形或者T形，若由于建筑要求不得不做成一字墻，則在剪力墻端部做成端柱的形式；

3)建筑物平面外側(cè)剪力墻的剛度對結(jié)構(gòu)的整體剛度有著十分顯著的影響，因此要加大Y向外側(cè)剪力墻的剛度，若剪力墻由于建筑洞口要求不得不在Y向分段，則各墻段之間應(yīng)用高連梁連接，以很好的傳遞各墻段之間的剛度。根據(jù)JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程5.2.1條及其條文說明在風(fēng)荷載作用效應(yīng)計算時可不考慮連梁的剛度折減；

4)X向與Y向的剪力墻剛度不是各自孤立的，而是相互聯(lián)系，相互影響的；減小遠(yuǎn)離Y軸與Y向剪力墻相連的X向的剪力墻的長度會影響Y向剪力墻的剛度，進而影響Y向的層間位移角；

5)加強整體結(jié)構(gòu)外圍如L形墻體X向的短墻肢的厚度和連接L形墻體之間X向連梁或梁的寬度，對Y向剪力墻的抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)是很可觀的，就像增加工字形截面的翼緣一樣增大了截面剛度；但是增大X向連梁或梁的高度對Y向?qū)娱g位移角的影響甚微；

6)增加建筑物外圍Y向剪力墻的厚度，尤其是遠(yuǎn)離X軸的Y向剪力墻的厚度效果更佳；

7)查看計算結(jié)果，看哪一層或幾層的層間位移角不滿足規(guī)范要求，針對性的改變不滿足要求的那幾層的混凝土強度等級，對改變Y向?qū)娱g位移角是有效的；

8)Y向的層間位移角由風(fēng)荷載控制，但是X向的層間位移角由地震作用控制，無論何種荷載或作用起控制作用，盡量使兩個方向的動力特性相近，在增大一個方向抗側(cè)剛度的同時應(yīng)兼顧到另一方向的抗側(cè)剛度，調(diào)整的過程應(yīng)相互協(xié)調(diào)。

通過1)，2)兩種方法的調(diào)整，查看計算結(jié)果可知，層間位移角為1/980，已經(jīng)接近規(guī)范要求，但仍然不滿足規(guī)范。此時繼續(xù)調(diào)整Y向剛度，但不需要布置剪力墻，可以通過3)步～8)步進行微調(diào)，然后繼續(xù)計算，通過查看計算結(jié)果，最后在風(fēng)荷載作用下Y向最大層間位移角為1/1 004，X向為1/1 705，均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

通過對層間位移角的解析和對工程實例進行調(diào)整計算，可得結(jié)論：1)層間位移角θi由兩部分組成，一部分為受力位移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角即有害位移角θid，另一部分為非受力位移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角即本層相鄰下一層的層間位移角θi-1。對于層間位移角θi，如果其主要部分是由非受力位移角θi-1引起，則結(jié)構(gòu)是沒有危險的，剪力墻結(jié)構(gòu)是安全的；反之，如θi主要系由受力位移角引起，則由于剪力墻為脆性結(jié)構(gòu)，應(yīng)對層間位移角嚴(yán)加控制；2)加強Y向外側(cè)剪力墻的剛度，Y向各分段的剪力墻之間用高連梁連接，其剛度可以不折減；3)X向與Y向剪力墻的剛度不是孤立的，而是相互影響的，尤其是在建筑物外側(cè)，其相互影響性更加明顯，減弱X向剪力墻會影響到Y(jié)向剪力墻的剛度；4)增加建筑物外圍X向的如L形較短邊的剪力墻的厚度，同時增加兩短肢墻之間X向梁的寬度，對Y向的抗側(cè)剛度影響顯著；5)改變建筑物外圍Y向剪力墻的厚度對層間位移角影響比較顯著，尤其是改變遠(yuǎn)離X軸的Y向剪力墻的厚度；6)改變層間位移角不滿足要求的某一層或幾層的剪力墻的混凝土強度等級對改變Y向?qū)娱g位移角有幫助。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 魏 璉，王 森.論高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角限值的控制[A].首屆全國建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集[C].2006.

On adjustment of interlayer displacement angle of high-rise shearing wall structure

Wang Zhongshi1Zhang Huiwu2

(1.ShangqiuHuaxiaArchitecturalDesignCo.,Ltd,Shangqiu476000,China;

2.HenanDazhengInvestmentPropertyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper has the theoretic analysis of the components of interlayer displacement angle of high-rise shearing wall structure, combining with engineering examples, and provides the adjustment methods for the maximum elastic interlayer displacement angle of the high-rise shearing walls under the wind loading, so as to accumulate some experience for similar problems.

wind loading, high-rise shearing wall structure, interlayer displacement angle, adjustment

1009-6825(2015)02-0030-02

2014-11-07

王中士(1980- )，男，碩士，工程師，一級注冊工程師； 張會伍(1979- )，男，工程師

TU973.16

A