剪力墻結構概念設計在建筑結構設計中的運用

關志榮

(佳木斯市建筑設計研究院， 黑龍江 佳木斯 154002)

我國地震工程研究取得了重大進展，但仍存在許多不確定性。在經(jīng)歷了地震災害后，人們逐漸認識到剪力墻結構概念設計的重要性。剪力墻結構的概念設計是指運用對建筑結構體系和地址工程力學的正確認識，妥善處理建筑結構設計中的各種問題[1]。

1 剪力墻結構概念設計的基本原則

1.1 選擇合適的剛度

在地震作用下，結構的振動周期會隨著結構剛度的增加而縮短。如果建筑結構剛度過高，將承受更大的地震荷載，遭受更嚴重的破壞；如果建筑結構剛度太低，風荷載和地震荷載產生的側向撓度會增加很多，這樣會影響建筑物的穩(wěn)定性和正常使用性能。因此，選擇合適的剛度對建筑物的安全性、經(jīng)濟性和使用性能有著直接的影響。

1.2 選擇合適的鋼筋混凝土結構

多年來，我國建筑抗震設計的目標一直是建造能經(jīng)歷中等地震可修復和嚴重地震不倒塌的建筑物。為了達到這一設計目標，結構設計用于抵抗地震荷載的構件必須以延性方式工作，并以不影響結構整體性能的方式耗散能量。成功的框架抗震設計要求結構的配筋合理，使塑性鉸發(fā)生在強度影響最小的位置，因此采用“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構件”的理論指導方法來設計鋼筋混凝土結構。

1.3 選擇多道抗震設防體系

建筑主體結構應按多道抗震設防體系進行設計。為了抵御災難性地震，結構的某些部分可能會在局部位置屈服或開裂，隨著這種屈服的擴張，將延長建筑物的振動周期并增加其阻尼，使其能夠耗散大量地震能量。因此，多道設防的建筑物能夠抵抗強烈的地震作用，而不會出現(xiàn)重大的結構破壞。

1.4 選擇合適的幾何結構特性

地震振動頻率越接近結構的固有頻率，結構發(fā)生共振的可能性就越大，從而導致建筑物位移和損傷的增加。因此建筑對地震的反應依賴于其幾何結構特性，尤其是建筑高度。高層建筑對長周期(低頻)地震的反應更強烈，而多層建筑對短周期(高頻)地震的反應更強烈。

2 剪力墻結構概念設計在工程中的應用

2.1 項目說明

本工程為高層住宅，建筑高度78 m。地下1層，地上26層。地下室層高4.0 m，一層層高5.5 m，其余層高均為2.9 m，總建筑面積11 134.57 m2。工程采用剪力墻結構體系，抗震設防烈度為8度，設計地震基本加速度為0.30 g。

圖1 兩種結構布置方案Fig.1 Two structural layout schemes

2.2 結構布置

兩種剪力墻結構布置方案如圖1所示。整體結構的形狀對地震反應有很大的影響，剛度或幾何不連續(xù)的結構可能承受極大的地震力，產生非常大的位移。結構要具有合適的剛度和足夠承載力，絕大部分結構構件應在整個建筑平面上均勻對稱分布。

剪力墻結構沿墻的長度方向即平面內抵抗側向力的能力很強，但沿墻的厚度方向即平面外抵抗側向力的能力很弱。設計時通常忽略墻對平面外水平力的橫向阻力，為了使兩個方向都具備抗側能力，通常讓兩個或兩個以上的墻垂直相交，以提供對所有方向側向力的承載能力。為了減少地震對建筑結構產生的扭轉效應，可根據(jù)建筑物的質量特性進行設計，當剛度中心靠近所施加側向力的質心時，抗扭轉效果最好。根據(jù)工程經(jīng)驗，剪力墻的合理長度為2.0～3.5 m，不小于5 bw(bw為壁厚)。本工程的一層剪力墻厚為250 mm，其他樓層為200 mm。

2.3 結果和分析

該結構設計確保其在所有規(guī)范規(guī)定的荷載條件下具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。本工程采用PKPM有限元分析軟件進行分析，計算結果如下：

(1)樓層層間位移角的對比：層間位移角(即層間最大位移與層高之比)是控制結構不規(guī)則性與整體剛度的主要指標。限制層間位移角可以保證主體結構處于彈性階段，以防止混凝土構件變形過度造成開裂；可以確保填充墻、各種管道和其他非結構構件處于良好狀態(tài)，且無明顯損傷。地震工況下方案1 X方向層間位移角為1/846，Y方向為1/870；方案2 X方向層間位移角為1/1421，Y方向為1/1366。風荷載工況下方案1 X方向層間位移角為1/1579，Y方向為1/1549；方案2 X方向層間位移角為1/1328，Y方向為1/1275。地震荷載+風荷載工況下X方向層間位移角為1/1204，Y方向為1/1153；方案2 X方向層間位移角為1/1102，Y方向為1/1021。從中可以看出，方案2的最大樓層偏移角滿足規(guī)范要求，而方案1不滿足規(guī)范要求。(地震和風荷載作用下最大層間位移角限值分別為1/1000和1/1100)。

(2)橫向剛度對比：剪力墻是主要的抗側力構件，承擔著近80%的水平地震和風荷載作用。剪力墻的抗側剛度直接影響結構的安全性能和造價[2]。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[3]，樓層的側向剛度不小于其上一層的70%，不小于其上三層平均剛度的80%。結果表明，方案1和方案2剪力墻的側向剛度均滿足規(guī)范要求。

(3)振動周期的對比：周期比(即扭轉周期與平動周期之比)是控制結構扭轉的重要指標，反映了扭轉剛度和轉動慣量的分布情況。控制周期比(即控制扭轉變形小于平動變形)是為了使結構布置合理有效，不產生過大的扭轉效應。計算結果是t3(1.542 9)/t1(1.864 4)=0.827<0.9(方案1)和t3(1.451 0)/t1(1.692 9)=0.857<0.9(方案2)。t1和t3分別定義為振型1和振型3的振動周期，由結果來看方案1和方案2均符合規(guī)范要求。

(4)剛重比和剪重比的對比：根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》的規(guī)定，只有在豎向重力荷載作用下，結構發(fā)生整體失穩(wěn)可能性較小。高層建筑穩(wěn)定設計的目標是控制風荷載和水平地震作用下重力荷載引起的二階效應。剛重比結果分別是：方案1 X方向為7.73，Y方向為7.71；方案2 X方向為8.66，Y方向為8.71。剪重比結果分別是：方案1 X方向為4.17%，Y方向為5%；方案2 X方向為4.72%、Y方向為5.40%。從中可以看出，兩種方案X、Y方向的剛重比均>1.4，滿足整體穩(wěn)定要求。方案2的剪重比>0.048滿足規(guī)范要求，方案1的剪重比不能滿足規(guī)范要求。

3 結語

通過運用高層建筑結構抗震設計基本原則，使用有限元分析軟件對某剪力墻結構的兩種不同布置方案進行了對比，從對比中可看出剪力墻結構概念設計在建筑結構設計的應用。結果表明，在概念設計階段，方案2更符合抗震設計基本原則，在結構響應方面優(yōu)于方案1，由此可以看出剪力墻結構概念設計的重要性。