基于構件變形的剪力墻結構抗震性能研究

王健凡 （閩西職業技術學院，福建 龍巖 364021）

剪力墻結構作為高層建筑的主要抗震構件，通過墻體的抗剪承載能力來吸收地震力，同時在地震作用下受到水平和豎向荷載的共同作用，剪力墻結構容易發生構件的變形和損傷，其抗震性能的優劣直接關系到建筑的安全性[1]。傳統的剪力墻結構設計方法使得構件在大震作用下存在一些不足，如墻體開裂、懸臂梁形成等，為了提高剪力墻結構的抗震能力，研究基于構件變形的剪力墻成為一個重要的課題[2]。

曹志偉等人[3]研究了裝配式剪力墻結構中，豎向分布鋼筋不連接時剪力墻極限位移計算方法，并運用抗震試驗驗證了計算方法的可靠性；徐麗麗等人[3]針對剪力墻高層住宅，研究了不同設計階段的抗震變形控制方法，研究成果已成功應用于某著名地產品牌開發商的高品質住宅項目；王福明等人[4]研究了RC 剪力墻的延性抗震設計方法，并考慮了軸壓比和剪跨比的影響，理論分析指出基于提出的簡化延性抗震設計方法可以為抗震構造措施的確定提供依據。

依托福建省龍巖市某高層框架式剪力墻結構住宅樓項目，本文深入研究構件變形對剪力墻結構抗震性能的影響機理，運用數值模擬手段分析剪力墻在不同地震抗震設防和不同地震波輸入條件下的層間位移角變化特征，以研究以變形控制的剪力墻結構抗震性能，研究成果對提高剪力墻結構的抗震設計水平和保障建筑安全具有重要意義，有助于提高建筑結構的抗震性能，降低地震帶來的損失，也可為相關規范和標準的修訂提供依據，為剪力墻結構的抗震設計提供理論支持和實踐指導。

1 工程概況

福建省龍巖市某高層框架式剪力墻結構住宅樓項目擬建10 個單體居民樓建筑，工程類別為民用一類高層建筑，總建筑面積約15 萬m2，設地下室1 層，地下室建筑面積為24150m2，其中人防面積為4630m2，地上建筑為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，地上結構層數均為31層，樓層高度為93.8m，其中首層高度為3.8m，其余樓層高度為3.0m，標準層的結構平面大致呈“十字形”，長度方向為35.3m，寬度方向為31.7m，標準差結構平面布置如圖1所示。結構框支柱采用普通鋼筋混凝土結構，框支柱的截面尺寸為200mm×200mm、230mm×230mm，混凝土等級為C50，剪力墻厚度為300mm，剪力墻混凝土等級為C40，連梁寬度與剪力墻厚度一致，連梁高度為400mm，連梁混凝土等級為C40。

圖1 某高層框架式剪力墻結構住宅樓標準層平面布置

2 剪力墻結構抗震分析計算

2.1 剪力墻結構抗震計算方法的確定

基于構件變形的剪力墻結構抗震性能計算方法主要有四種，分別是彈性分析法、彈塑性分析法、能量法和有限元法。其中，彈性分析法假定剪力墻結構處于彈性階段，通過分析構件的應力和變形來計算結構的抗震性能，這種方法比較簡單，適用于結構在地震作用下的彈性響應分析[5]；彈塑性分析考慮到剪力墻結構的非線性性能，通過分析構件的彈塑性變形和損傷來計算結構的抗震性能，這種方法能夠更準確地反映結構在地震作用下的響應，但需要采用更為復雜的計算方法；能量法通過分析結構在地震作用下的能量吸收和耗散來計算結構的抗震性能，這種方法能夠考慮到結構的損傷和破壞過程，但需要對能量的計算和分析方法進行合理的處理[6]；有限元法將剪力墻結構劃分為多個單元，利用有限元軟件進行數值模擬計算，這種方法可以充分考慮剪力墻結構的非線性性能和構件之間的相互作用，能夠得到較為全面的抗震性能評估結果，但需要注意的是，有限元模型的建立和參數的選取對于計算結果的準確性具有較大的影響，需要進行仔細的分析和驗證。

2.2 剪力墻結構抗震計算參數的確定

剪力墻結構抗震計算時，抗震設防烈度設為兩種工況，分別為7度（0.10g）和8度（0.20g），結構施加的基本風壓荷載統一取為0.35kN/m2；衛生間活荷載取為1.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；客廳、臥室和廚房的活荷載取為2.0kPa，附加恒載取為1.5kPa；陽臺活荷載取為2.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；消防樓梯活荷載取為3.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；電梯、前室、走廊活荷載取為3.5kPa，附加恒載取為1.5kPa；車庫活荷載取為4.0kPa，附加恒載取為2.5kPa；屋面活荷載取為2.0kPa，附加恒載取為3.5kPa。7度和8度抗震條件剪力墻軸壓比限值均為0.6，剪力墻底部加強區軸壓比限值均為0.5；7度設防結構模型最大彈性層間位移角限制為1/800，8度設防結構模型最大彈性層間位移角限值為1/500。

2.3 剪力墻結構抗震計算地震波的確定

剪力墻結構抗震計算地震波的選定，需考慮地震波的持續時間、地震波頻譜特性和地震波的峰值調整等。一般而言，地震波的有效持續時間長度應為結構基本周期的5～10 倍，單條波計算的基底剪力與規范反應譜計算的基底剪力誤差應在±35%內，幾條地震波計算的基底剪力平均值與規范反應譜計算的基底剪力誤差應在±20%內[7-8]。研究采用5 條地震波進行結構的時程計算，分別是Osaka地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波、Northridge 地震波和汶川地震波。對5 條地震波的計算，計算結果與振型分解反應譜法（CQC 法）進行對比，結果如表1 所示。從表1 中可以看出，與振型分解反應譜法（CQC 法）相比，單條地震波時程分析計算得到的基地剪力誤差小于±35%，多條地震波時程分析計算得到的基地剪力平均值誤差小于±20%。

表1 不同地震波的基地剪力計算結果對比

3 基構件變形的剪力墻結構抗震性能分析

圖2 為7 度抗震設防不同地震波輸入條件下剪力墻結構的X 向層間位移角變化曲線。從圖2 中可以看出，5 條地震波輸入條件下，剪力墻結構的X 向層間位移角變化規律較為相近，層間位移角均隨著樓層的增加整體呈現先增加后減小的非線性變化趨勢，且在局部樓層出現小幅度的波動，最大層間位移角位于樓層的中部，約9 層～11 層位置，頂層的層間位移角大于底層的層間位移角，因此在抗震設防時，樓層中部為潛在的結構薄弱層，需要保證在薄弱層出現正截面屈服時，構件的變形能夠滿足限制要求即可滿足結構的抗震要求；Osaka地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波輸入條件下，得到的X向層間位移角較為接近，而在Northridge地震波輸入條件下，X 向層間位移角有所增加，但增加幅度較小，X 向最大層級位移角接近于0.01，汶川地震波輸入條件下，X向層間位移角相比于前4中地震波形得到大幅度增加，結構5層～21層的X向層間位移角大于0.01，最大層間位移角達到0.02，由此可以看出汶川地震波的破壞強度巨大，在剪力墻結構的抗震設計時，選擇合適的地震波波形顯得尤其重要。

圖2 不同地震波剪力墻結構X向層間位移角（7度）

圖3 為7 度抗震設防不同地震波輸入條件下剪力墻結構的Y 向層間位移角變化曲線。從圖3 中可以看出，5 條地震波輸入條件下，剪力墻結構的Y 向層間位移角變化與X 向層間位移角的變化規律基本一致，均表現為先增加后減小的非線性變化趨勢，汶川地震輸入條件下得到的Y 向層間位移角最大，Northridge 地震波得到的Y 向層間位移角次之，Osaka 地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波輸入條件下得到的Y向層間位移角最小且相近。

圖3 不同地震波剪力墻結構Y向層間位移角（7度）

圖4 為8 度抗震設防不同地震波輸入條件下剪力墻結構的X向層間位移角變化曲線，圖5為8度抗震設防不同地震波輸入條件下剪力墻結構的Y向層間位移角變化曲線。從圖4 和圖5 中可以看出，8 度抗震設防時，不同地震波輸入條件下得到的X向和Y向層間位移角與7 度抗震設防時得到的X 向和Y 向層間位移角具有相似的變化特征，但也存在一定程度的差異，即層間位移角曲線隨著樓層的增加，在局部樓層呈現更為明顯的波動，5條地震波輸入條件下得到的最大層間位移角均比7度抗震設防大。

圖4 不同地震波剪力墻結構X向層間位移角（8度）

圖5 不同地震波剪力墻結構Y向層間位移角（8度）

4 結語

以福建省龍巖市某高層框架式剪力墻結構住宅樓項目為研究對象，運用數值計算方法，對5 種不同地震波波形輸入條件下的剪力墻結構層間位移角變化規律進行分析，得到以下幾個結論：

（1）與振型分解反應譜法（CQC法）相比，單條地震波時程分析計算得到的基地剪力誤差小于±35%，多條地震波時程分析計算得到的基地剪力平均值誤差小于±20%。

（2）5 條地震波輸入條件下，剪力墻結構X 向與Y向層間位移角均表現為先增加后減小的非線性變化趨勢，汶川地震輸入條件下得到的層間位移角最大，Northridge 地震波得到的層間位移角次之，Osaka 地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波輸入條件下得到的層間位移角最小且相近。

（3）8 度抗震設防時，不同地震波輸入條件下得到的X 向和Y 向層間位移角與7 度抗震設防時得到的X向和Y 向層間位移角具有相似的變化特征，但局部樓層呈現更為明顯的波動，5條地震波輸入條件下得到的最大層間位移角均比7度抗震設防大。