高層建筑剪力墻結構中剪力墻合理布置的研究

李炎，王德玲

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

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高層建筑剪力墻結構中剪力墻合理布置的研究

李炎，王德玲

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

為了合理地在剪力墻結構中布置剪力墻，以使結構更加安全經濟，結合實際工程對其結構中剪力墻的布置進行設計調整，得出3種方案，并利用有限元軟件SATWE進行建模計算分析。對比方案調整前后的差異探討不同剪力墻布置方案對結構性能的影響，從而得出合理布置剪力墻的思路和方法。通過加強結構周邊剪力墻、翼緣長度以及增加部分剪力墻的翼緣，同時適當減小結構內部部分剪力墻的長度，刪除結構內部部分及電梯井筒附近布置較多的墻體，結構的抗側和抗扭能力能得到有效提高，結構的安全性和穩定性更好。此外還能較大程度上節省材料用量，節約工程成本，可對剪力墻結構設計中結構安全性的提高和工程造價的控制起到一定的指導作用。

高層建筑；剪力墻；合理布置；動力特性；變形特性

剪力墻結構是高層建筑主要結構體系之一，特別是高層住宅結構。但如何合理、經濟、有效布置剪力墻是工程設計人員面臨的主要問題，也是體現結構師設計水平的重要標志。目前規范對結構中剪力墻的布置沒有具體統一的標準，工程設計人員往往根據自己的經驗進行布置，可能達不到合理、經濟、有效的效果。因此，如何找到一種行之有效的方法做到經濟有效布置剪力墻就顯得尤為重要。根據實際工程，結合相關規范，采用不同的剪力墻布置方案，通過分析不同結構布置方案下的結構力學性能，得到了更為合理的結構布置方案和原則，對工程設計有一定的實際應用價值。

1 工程實例

1.1 工程概況

荊州市某高層住宅建筑結構體系為純剪力墻結構，建筑物平面尺寸為37m×23.5m，建筑總面積為15440.36m2，地下1層，地上16 層，標準層層高為2.9m，建筑總高度為46.65m。該工程結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，剪力墻抗震等級為四級。該地區工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B類[1]。

1.2 結構模型的描述

結合剪力墻結構設計的一般規定，對結構中剪力墻的布置進行優化調整：

第一，采用工程原建筑結構施工圖的計算模型作為剪力墻的布置方案一；

第二，減小結構的扭轉作用，增強結構剛度，按照“連續、周邊、對稱”的原則，在方案一的基礎上加強結構周邊剪力墻的布置，即增加周邊部分墻體或其翼緣長度，適當增添部分墻體的翼緣，得出方案二；

第三，滿足結構安全性的條件下節約工程造價，在方案二的基礎上通過減小、刪除結構內部部分剪力墻，刪除部分電梯井筒附近布置較多的剪力墻，得出方案三。

根據上述3種方案建立3種結構模型，采用有限元軟件SATWE進行計算分析，通過對比分析3種結構模型的內力特性、變形特性和動力特性的變化特征，研究剪力墻數量和位置上的變化對結構性能的影響，從而做出剪力墻是否合理布置的判斷[1，2]。

結構方案一：采用工程原建筑結構施工圖作為剪力墻平面布置圖，如圖1所示。

圖1 方案一剪力墻平面布置圖

結構方案二：對方案一中剪力墻的布置進行調整：①增加結構周邊剪力墻長度，即Q1、Q11、Q17、Q20、Q23、Q26剪力墻的長度；②增加Q1、Q2、Q3、Q5、Q9、Q10、Q11、Q15、Q16、Q21、Q22剪力墻的翼緣長度；③增加Q18、Q19、Q24、Q25剪力墻的翼緣。從而得出方案二剪力墻平面布置圖，如圖2所示。

圖2 方案二剪力墻平面布置圖

結構方案三：進一步對方案二中剪力墻的布置進行調整，刪除結構內部部分剪力墻，即刪除Q6、Q7、Q13剪力墻；減小結構內部部分剪力墻的長度，即減小Q3、Q4、Q8、Q9、Q12、Q14剪力墻的長度；電梯井筒附近墻體布置較多，刪除部分墻體，從而得出方案三剪力墻平面布置圖，如圖3所示。

圖3 方案三剪力墻平面布置圖

2 計算結果的對比分析

根據調整前后3種剪力墻的布置方案，建立3種結構模型，利用有限元分析軟件SATWE進行建模計算分析，并對3種模型的內力特性、動力特性、變形特性以及經濟性方面進行對比研究。

2.1 動力特性

1)周期 計算結果如表1所示，僅選取前10個振型的周期進行比較研究。

表1 結構振型周期對比表

根據表1中各振型的周期數據，可計算出模型一、模型二和模型三的周期比分別為0.80、0.78和0.75，可以看出三者都在《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.4.5條規定的A級高度高層建筑周期比不應大于0.9的范圍內，都能夠符合要求。從周期比的數值上看，模型二的周期比要比模型一小，周期比越小，結構抗扭作用越大，說明模型二的抗扭轉作用要比模型一好，結構的抗扭能力得到了一定提高[2]。此外，模型三的周期比要比模型一、二更小，說明模型三結構的抗扭轉效果更好。通過模型一到模型三的結構振型周期比數據的對比分析，可以總結出合理加強結構周邊的剪力墻布置，同時適當減弱結構內部剪力墻的作用，可有效地提高結構的抗扭作用，增強結構的穩定性。

同時從表1中各模型的周期數值的比較上可以看出，模型二的周期比模型一的周期都相應要有所減小，說明模型二的剛度與模型一的剛度相比要有所增強，模型二相對于模型一還具有一定的剛度優化效果。加強結構周邊剪力墻的布置，可在一定程度上提高結構的剛度和抗扭轉能力，對扭轉效應較大的結構可起到一定的控制。然而模型三中每個振型所對應的周期相對于模型一、二都要有所增大，說明結構的剛度相對于前2個模型均有所降低，結構變得更“柔”，但三者之間的數值變化幅度不大，結構的剛度變化小，結構仍具有較大剛度。而且方案三的剪力墻布置較前2個方案，在結構仍具有合理剛度的基礎上，明顯地減少了結構中剪力墻材料的用量，在一定程度上能節約工程成本，有利于造價控制。方案三的剪力墻布置更為合理、經濟。

2)振型 根據《高層建筑混凝土結構技術規程》5.1.13條第1款的規定：抗震設計時，宜考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應，振型數不應小于15，對多塔樓結構的振型數不應小于塔樓數的9倍,且計算振型數應使各振型參與質量之和不小于總質量的90%[3]。根據上述規定，該結構的模型均計算21個振型。從SATWE計算結果中可得，在模型一中，X、Y方向的有效質量系數分別為98.31%和98.25%；在模型二中,X、Y方向的有效質量系數分別為98.30%和98.23%；在模型三中,X、Y方向的有效質量系數分別為98.35%和98.33%。可以看出三者均能夠滿足規范規定的有效質量系數在90%以上的要求。

對比圖4模型一和圖5模型二的結構振型圖，發現兩者均表現出X方向投影振型的擺動曲線分布無序，不規律，而Y方向的擺動曲線分布更均勻，對稱且有序，說明在2個模型中Y方向上的結構剛度更好。此外還可看出，模型二在各振型迭加中所表現出的擺動分布相對于模型一更集中化，幅度更小，可大致判斷模型二的抗震作用更大，結構的抗震性能更好。說明加強結構周邊剪力墻的布置,可在一定程度上改善結構的抗震性能，但從圖4和圖5中可看出兩者擺動分布區別不大，提高效果不明顯。

圖4 結構振型圖(模型一)

'對于圖6模型三的振型圖，發現與前2個模型振型圖的對比結果具有一定相似之處，表現在Y方向的擺動曲線分布要比X方向規律且有序，Y方向上的結構剛度更好。進而說明通過剪力墻布置方案的逐步調整，對結構X、Y方向上的剛度差異調整不大。同時還可看出，模型三前10個迭加振型所表現出的擺動曲線分布差異較前2個模型大，模型三中Y方向的擺動分布更集中于中心線附近，幅度更小，而X方向的擺動幅度更大，但分布相對規則，對稱且均勻。根據以上分析可判斷模型三的結構布置更規則合理，抗震性能更好，抗震作用更強。

圖5 結構振型圖(模型二)

對比3個結構模型的振型圖，可以發現結構振型圖的發展越來越規則、有序，說明通過方案一到方案三對剪力墻布置的優化調整，結構布置的規則性得到進一步提高，結構的抗震作用得到了逐步的優化和加強。相對于前2個方案，方案三布置更規則，結構抗震性能更好。

2.2 變形特性

主要從結構的最大層間位移比和最大層間位移角2個方面進行研究，計算結果統計如表2和表3所示。

從表2中可知，在各工況下模型一的最大層間位移比為1.37，模型二的最大層間位移比為1.32，模型三的最大層間位移比為1.18，均能夠滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.4.5條規定的A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍的要求。在各工況下從各模型的層間位移比上看，模型一到模型三的層間位移比的數值逐漸減小，說明通過方案的逐步調整，結構模型的抗扭轉作用得到逐步增強，結構的整體穩定性能更好。從表2中可看出模型三結構的抗扭轉能力更強，更有利于結構的整體穩定。

表2 最大層間位移比統計表

表3 最大層間位移角統計表

根據表3中列出的數據可知，各工況下3個模型的最大層間位移角都遠小于1/1000，都能夠很好地滿足《建筑抗震設計規范》表5.5.1規定的剪力墻結構的彈性層間位移角限值為1/1000的要求[4]。表明3個模型的抗側剛度均較大，抗側作用強。兩兩對比而言，模型二相對于模型一的最大層間位移角要小一些，說明結構的抗側剛度有一定的提高，抗側作用增強，方案二在方案一的基礎上具有一定的抗側性能優化作用。模型三的最大層間位移角比模型二都要大，表明模型三相對于模型二，結構的抗側作用相對有所減弱，但從數值上看，模型三在各工況下的最大層間位移角遠小于規范規定的限值為1/1000的要求，結構仍具有較大剛度，抗側作用強。從表3中3個模型在各工況下最大層間位移角的數據的對比上看，從模型一到模型三，數值之間的變化幅度小，結構的側移剛度變化小，結構均具有良好剛度，抗側性能好。而對于模型三，結構在具有良好剛度的同時，經濟性更好，方案三的剪力墻布置效果相對更為優化。

圖7 各模型軸壓比統計分布圖

2.3 內力特性

主要從結構的軸壓比方面進行分析。模型一、模型二和模型三軸壓比計算統計結果如下圖7所示。

根據圖7各模型軸壓比統計分布圖，可看出模型一、模型二和模型三的軸壓比都控制在0.6以內，均能滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》表7.2.13規定的剪力墻墻肢軸壓比限值0.6的要求。

從圖7中可得，模型一的軸壓比在0.4以下占總數的38.09%, 0.4以上占61.91%，其中0.5～0.6占19.05%。模型二的軸壓比在0.4以下占總數的41.49%, 0.4以上占58.51%，其中0.5～0.6占17.02%。可看出兩者的軸壓比分布情況相差不大，在軸壓比0.4以下所占比重均較大，在0.5～0.6之間均較小。說明模型一和模型二的結構安全性強，能很好地滿足規范規定的軸壓比限值的要求，但也反映出2個模型中存在部分剪力墻沒有充分發揮其力學性能，造成了一定的浪費，存在進一步優化的空間。通過增強周邊剪力墻的布置，可有效提高結構的抗側和抗扭剛度，使結構更安全穩定。對于不規則，扭轉效應大，受力分布不均勻的剪力墻結構，設計人員可考慮采取加強結構周邊剪力墻的布置措施，以改善結構的受力性能，滿足結構的安全可靠性[5～9]。但也要同時注意到這一措施增加了結構中剪力墻材料的用量，存在構件材料性能未能得到充分利用的情況，在一定程度上增加了造價成本，不經濟。從而對結構中剪力墻的布置還可進行進一步的優化調整，以使結構在滿足足夠安全的前提下更為經濟合理。

根據模型三軸壓比統計結果，可看出在該方案中，軸壓比在0.4以下的僅占總數的32.96%, 0.4以上占67.04%，其中0.5～0.6占28.41%。與模型一和模型二相比，模型三在軸壓比0.4以下所占比重較前兩者小，在0.4～0.6之間所占比重大，特別是在0.5～0.6之間最大。表明模型三剪力墻結構的安全性好而且材料性能得到了進一步地充分利用，結構的力學性能發揮的更好，結構布置更加優化合理。

2.4 經濟性對比

通過比較3個結構模型的單位用鋼量和混凝土用量的統計數據(見表4)，不難發現模型二的含鋼量和混凝土用量要大于模型一，模型三的含鋼量和混凝土用量最小。

表4 各模型鋼筋和混凝土用量統計表

通過加強結構周邊剪力墻的布置，模型二消耗的鋼筋和混凝土用量比模型一大，從表4中可以得出，鋼筋的用量每平方米增加了2.78%，混凝土用量增加了2.89%。雖在一定程度上增加了材料用量，提高了造價成本，但可看出增長幅度較小，而且模型二相對于模型一，結構的抗側和抗扭剛度得到了明顯提高，穩定性增強，優化效果明顯。因此對于不規則、扭轉效應較大的結構，可采取加強結構周邊剪力墻布置這一措施來改善結構的力學性能，提高結構的安全性，此外工程造價的變化幅度不大，可接受。

相對于模型二，模型三的鋼筋用量每平方米下降了7.58%，混凝土用量下降了7.39%；相對于原結構模型一，模型三的鋼筋用量每平方米下降了5.01%，混凝土用量下降了4.71%。與結構模型一、二相比，可看出模型三的含鋼量和混凝土用量最小，其剪力墻布置方案的經濟性最好，有利于節約工程造價。同時隨著方案的逐步調整，結構模型的力學性能、剛度、安全性逐步得到強化，模型三相對于前2個模型，力學性能更好，安全性、穩定性更強。綜上所述可知，方案三的結構布置更為安全經濟。

3 結語

1)加強結構周邊剪力墻的布置，即增加結構周邊剪力墻、翼緣長度以及增加部分剪力墻的翼緣，能有效地提高結構的抗扭剛度和抗側剛度，增強結構的安全性和穩定性。在剪力墻結構的設計中，對于不規則、扭轉效應較大，受力分布不均勻的結構，設計人員可考慮采取加強結構周邊剪力墻的布置措施，以改善結構的受力性能，提高結構的安全可靠性。但也要同時注意這一措施增加了結構中剪力墻材料的用量，在一定程度上提高了工程造價，雖造價變化幅度較小，但在滿足結構足夠安全的基礎上,還應進行進一步優化布置剪力墻以使結構更加經濟合理。

2)在滿足結構安全性的前提下，適當減弱結構內部剪力墻的布置，即減小結構內部部分剪力墻的長度，刪除結構內部分及電梯井筒附近布置較多的墻體，能較大程度上節省材料用量，節約工程成本，結構中構件的材料性能能得到充分發揮，結構受力更加合理，經濟性更好。此外，雖結構的剛度有一定的削弱，但結構仍具有合理良好的剛度，結構性能的各項指標均能滿足現行規范規定的各項要求。

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[編輯] 計飛翔

2016-05-27

國家自然科學基金項目(51408057)。

李炎(1992-)，男，碩士生，現主要從事工程結構設計和工程抗震方面的研究工作；通信作者：王德玲，386841134@qq.com。

TU375

A

1673-1409(2016)25-0055-07

[引著格式]李炎，王德玲.高層建筑剪力墻結構中剪力墻合理布置的研究[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(25)：55～61.