某不規(guī)則實驗樓剪力墻布置方案選型

梁志豪

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510180）

1 項目概況

梅州某大學實驗樓北塔建筑平面形似字母F型，建筑面積32 221.1 m2。本工程為大學教學樓建筑，主要建筑功能包括學校理工科專業(yè)的實驗室、教室等教學用房及其配套用房等。

北塔主樓地面以上14層，建筑高度為64.5 m。實驗樓北塔采用RC框架-剪力墻（簡稱框剪）結(jié)構(gòu)，嵌固部位在基礎(chǔ)面。所在場地抗震設(shè)防烈度為7度，Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，場地特征周期0.35 s?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，性能目標為C級。

實驗樓北塔建筑效果如圖1所示。

為了得到更合理的結(jié)構(gòu)剪力墻布置，選取4個剪力墻平面布置方案。

方案1塔樓電梯井設(shè)置T形墻，方案2塔樓電梯井設(shè)置剪力墻筒，方案3以及方案4則分別在方案1和方案2的基礎(chǔ)上在裙樓增設(shè)剪力墻。

剪力墻布置方案如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)超限情況

框架剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度如表1所示。

方案1和方案2底層框架傾覆彎矩比例大于50%，方案3和方案4底層框架傾覆彎矩比例小于50%。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[1]對框架剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度的規(guī)定，方案3和方案4滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)A級最大適用高度要求，方案1和方案2最大適用高度可在框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上適當增加。

框剪結(jié)構(gòu)A級的最大適用高度為96.8 m，大于建筑房屋高度64.5 m。4個方案均滿足框剪結(jié)構(gòu)A級最大適用高度的要求，不屬于高度超限高層建筑。

本項目X向扭轉(zhuǎn)位移比為1.16（4層），對應(yīng)位移角1/1 474；Y向扭轉(zhuǎn)位移比為1.38（6層）對應(yīng)位移角1/1 310，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。1～6層裙樓凸出長度55 m，平面凸出大于相應(yīng)邊長100 m的30%，屬于凹凸不規(guī)則。

建筑2層連廊樓板有效寬度小于50%，屬于樓板不連續(xù)。

6層位于結(jié)構(gòu)高度的36%，收進大于25%，屬于尺寸突變。綜上所述，該實驗樓北塔為存在4項不規(guī)則項的特別不規(guī)則建筑。

3 小震彈性分析

為了探討剪力墻布置對結(jié)構(gòu)周期、地震基底剪力、最大層間位移角和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，進行小震彈性分析。

小震彈性分析計算結(jié)果如表2所示。

地震基底剪力隨著剪力墻剛度的增加而逐漸增加。方案3、4的Y向地震基底剪力比X向大，方案1、2的X向地震基底剪力比Y向大。由于剪力墻筒引起Y向?qū)蛹袅υ龃蠓缺萖向?qū)蛹袅υ龃蠓雀蟆?/p>

小震作用下各方案最大彈性層間位移角均滿足規(guī)范[2]位移角限值為1/800的要求。由于小震彈性階段的最大層間位移角樓層在體型收進部位以上，裙樓的剪力墻并沒有對減小最大彈性層間位移角起到明顯作用。

Y向位移角隨著剪力墻剛度的增加而逐漸增加，而X向位移角隨著剪力墻剛度的增加而逐漸減小，這是由于電梯井剪力墻筒引起Y向?qū)蛹袅υ龃蠓却笥诳箓?cè)剛度增大幅度，而X向?qū)蛹袅υ龃蠓刃∮诳箓?cè)剛度增大幅度。

結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比均出現(xiàn)在裙樓頂層，裙樓布置的剪力墻并沒有起到減小扭轉(zhuǎn)位移比的作用，反而引起了扭轉(zhuǎn)位移比的增大。這是由于裙樓凹凸不規(guī)則，受限制的剪力墻布置使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。

上述分析表明，方案1電梯井T形墻方案剛度最小且滿足規(guī)范要求，地震作用下基底剪力與扭轉(zhuǎn)位移比均最小。

4 彈性時程分析

采用YJK軟件進行小震彈性時程分析。選取特征周期為0.35 s、有效持續(xù)時長滿足5～10T1、基底剪力滿足要求的60條實際地震記錄和4條人工模擬加速時程曲線進行彈性時程分析。64條地震時程的平均譜與規(guī)范譜在各方案結(jié)構(gòu)主要周期點上相差小于20%。彈性時程分析結(jié)果表明，建筑10層以上反應(yīng)譜法層剪力小于64條地震時程平均層剪力，因此需要對建筑頂部地震力進行放大。

各方案頂部地震力放大系數(shù)對比如圖3所示。

由圖3可知，方案2的地震放大系數(shù)比方案1、方案4和方案3的地震放大系數(shù)均大。體型收進部位以下裙樓布置剪力墻導致塔樓頂部動力時程響應(yīng)增大。塔樓剛度越小，裙樓剪力墻布置引起的塔樓頂部動力時程響應(yīng)越大。

方案3比方案1的地震力放大系數(shù)大，表明塔樓剪力墻剛度越大頂部動力時程響應(yīng)越大。因此，方案1電梯井T形墻方案的塔樓頂部地震力放大系數(shù)最小，頂部動力時程響應(yīng)最小。

5 中震等效彈性分析

中震性能水準為3，中震等效彈性分析結(jié)果如表3所示。

方案1電梯井T形墻方案結(jié)構(gòu)剛度最小，中震基底剪力最小。在中震作用下，塔樓電梯井剪力墻存在拉力，其余剪力墻無拉力。

電梯井剪力墻中震拉力分析如圖4所示。

由圖4可知，方案1、2墻肢中震拉力不大于墻肢抗拉強度值；方案3、4電梯井門兩側(cè)小墻肢中震拉力均大于2倍墻肢抗拉強度值。

6 大震彈塑性分析

大震性能水準為4，采用YJK進行靜力推覆[3]分析。

大震彈塑性分析結(jié)果如表4所示。

方案1電梯井T形墻方案大震基底剪力最小，大震彈塑性層間位移角最大，且滿足規(guī)范要求。

電梯井剪力墻大震抗剪截面分析如圖5所示。

由圖5可知，方案1、2墻肢大震剪壓比不大于0.15；方案3、4墻肢大震剪力較大，墻肢大震剪壓大于0.15。

7 結(jié)語

最大彈性層間位移角樓層在體型收進部位以上，裙樓的剪力墻并沒有對減小最大彈性層間位移角起到明顯作用。裙樓凹凸不規(guī)則，受限制的剪力墻布置使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。

體型收進部位以下裙樓布置剪力墻導致塔樓鞭梢效應(yīng)增大，且塔樓剪力墻剛度越小，裙樓剪力墻引起的鞭梢效應(yīng)越顯著。塔樓的剪力墻剛度也會對鞭梢效應(yīng)造成影響，塔樓剪力墻剛度越大鞭梢效應(yīng)越顯著。

中震作用下塔樓電梯井設(shè)置剪力墻筒比設(shè)置T形墻產(chǎn)生更大墻肢拉力，裙樓設(shè)置剪力墻則起到減小墻肢拉力的作用。大震作用下塔樓電梯井設(shè)置剪力墻筒比設(shè)置T形墻產(chǎn)生更大墻肢剪力，裙樓設(shè)置剪力墻則起到減小墻肢剪力的作用。

因此，方案1裙樓不設(shè)置剪力墻，且電梯井采用T形墻方案為更合理的結(jié)構(gòu)剪力墻布置方案。