剪力墻數(shù)量與空間位置對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究

閆光宇

（中建國際（深圳）設(shè)計顧問有限公司，廣東 深圳 518000）

引言

城市化進程的不斷加快，高層建筑由其獨特的優(yōu)勢而越來越成為建筑的首選形式。在高層建筑中要考慮風(fēng)荷載和地震等水平載荷所帶來的結(jié)構(gòu)受力，需要控制側(cè)向位移以提高建筑的耐性。高層建筑物在以框架結(jié)構(gòu)為主設(shè)計中，雖然具有空間分割的靈活性，但考慮的水平力作用是以剪切為主，導(dǎo)致需要的層間位移較大。若以剪力墻結(jié)構(gòu)來設(shè)計時，不需要水平方向上很大的剪切力，但對于剪力墻的間距要求比較高，所以具有一定的局限性。在我國大多數(shù)采用的是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)來設(shè)計高層建筑，這樣可以綜合兩者的長處，具有一定的抗震性能。

這種框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中抗測力的部分是剪力墻，能提高側(cè)向剛度；抗縱向載荷部分主要的是框架結(jié)構(gòu)，能使使用空間提高。在抵抗水平力的同時，兩者通過樓板來協(xié)調(diào)變形。各層之間的變形可以由此變得均勻。因此提高了各方面的抗載荷的能力，在地震中可以減少對墻體的損壞。

1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件非線性地震反應(yīng)分析的模型與原理

結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型的建立的準確與否關(guān)系到能否準確地分析非線性反應(yīng)分析。建立合理的力學(xué)模型是正確分析建筑物受力的前提，根據(jù)模型可以對建筑的變形、受力情況有個整體了解。

本文用于分析的是混凝土本構(gòu)模型，這種結(jié)構(gòu)模型具有一定的特點?；炷劣袀€開裂壓力，在受力大于這個開裂壓力的情況下就會開裂。極限應(yīng)變可以導(dǎo)致混凝土直接不工作，

2 基于性能的剪力墻數(shù)量的合理確定

要達到抵抗偶然性的地震，就需要預(yù)計強烈地震，要保證在此地震下建筑物不受嚴重的損壞。在地震時建筑結(jié)構(gòu)的受力情況已經(jīng)超出了正常的情況?？梢詫Φ孛孢\動的記錄進行分析，可以很好的描述了地震時建筑物的受力情況。

作為一種很常用的高層建筑物種的結(jié)構(gòu)體系，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在地震中可以很好地抵抗水平方向的載荷。在強烈的地震中建筑的抗側(cè)力的首要結(jié)構(gòu)式剪力墻，被地震破壞后，框架結(jié)構(gòu)就代替剪力墻進行抵擋地震沖擊。所以在抗震的建筑物的建設(shè)過程中，要實現(xiàn)的是能保持良好的變形能力，以便在各種地震的遭受破壞的程度要相對的小。

框架結(jié)構(gòu)能決定建筑物在強震中能否保持不發(fā)生倒塌，延時性是框架結(jié)構(gòu)的特性?？蚣軜菍幽軌虺惺茏畲蟮难訒r性是設(shè)計建筑時首要考慮的因素，通過對于不同地震波帶來的作用進行分析得出框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻的合理數(shù)量的設(shè)計。

基于性能的設(shè)計思想是在上世紀末的時候一位美國科學(xué)家提出來的，就是在保證性能水平的前途下能夠達到在發(fā)生地震的情況下能夠保證應(yīng)有的抗震水平。

需要指出，基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有其特點，但它與現(xiàn)行的抗震設(shè)計不是截然沒有聯(lián)系的，而是一種延續(xù)和發(fā)展，從某種意義上，現(xiàn)行規(guī)范的“小震不壞，中震可修，大震不倒”就是一種性能要求，只是說怎樣的破壞才算可修，中震允許產(chǎn)生多大的破壞，這些破壞對結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的設(shè)備、裝修有什么影響……這些內(nèi)容并沒有具體的得到量化。從這個角度來看，現(xiàn)行規(guī)范注意了在大震下保障生命安全，但是對如何避免地震破壞造成的巨大經(jīng)濟損失是沒有足夠的注意。近年來的幾次大地震盡管人員傷亡不是很大，但經(jīng)濟損失往往是巨大的，這一事實是基于性能的抗震設(shè)計的出發(fā)點。那么在我國的高烈度區(qū)的重要建筑物，就很有必要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)定雙重目標性能，即第一類目標性能和第二類目標性能。目前廣泛采用的建筑結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計方法實際上是基于規(guī)范準則，而不是基于性能準則，即目前的常規(guī)設(shè)計是完全按照規(guī)范的要求進行的，而沒有明確建筑結(jié)構(gòu)的實際性能水平。

設(shè)計人員對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，一般步驟為：首先根據(jù)經(jīng)驗和建筑師協(xié)商確定剪力墻的大致數(shù)量和位置，再進行相應(yīng)烈度下的振型分解反應(yīng)譜計算，驗證各項指標（變形、剪總比等）是否滿足規(guī)范要求，在局部調(diào)整之后敲定總體結(jié)構(gòu)布置方案，進入施工圖設(shè)計階段。如果建筑物滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）中第5.5.2 條還需再補充驗算彈塑性變形。從上述步驟可以看出，除非屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或處于高烈度區(qū)的建筑，一般設(shè)計人員是不會補充彈塑性分析的，同時遵循規(guī)范設(shè)計后也無法明確設(shè)計項目在大震作用下具體的延性指標。

3 剪力墻平面布置與框架—剪力墻結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的關(guān)系研究

在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻平面的優(yōu)化布置是一項十分重要的工作，已經(jīng)確定剪力墻數(shù)量的前提下，不同的剪力墻平面布置方式會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的動力特性，從而將決定建筑物整體抗震性能的優(yōu)劣。剪力墻平面布置的一般原則是“均勻、分散、對稱、周邊”?！熬鶆?、分散”是要求剪力墻的片數(shù)多，每片的剛度不要太大；不要只設(shè)置一兩片剛度很大、連續(xù)很長的剪力墻，因為片數(shù)太少，地震中萬一個別剪力墻破壞后，剩下的一兩片墻難以承受全部地震作用，截面設(shè)計也很困難（特別是連梁）。對應(yīng)地基礎(chǔ)承受過大的剪力和傾覆彎矩，尤為難以處理。所以在方案階段宜考慮布置多片短的剪力墻，在樓層平面上均勻散開，不要集中在某一區(qū)域?！皩ΨQ、周邊”是對高層建筑抵抗扭轉(zhuǎn)的要求，剪力墻的剛度大，它的位置對樓層平面剛度的分布起決定性的作用。剪力墻對稱布置就能基本上保證了建筑物的對稱性，避免和減少建筑物受到的扭矩；另一方面，剪力墻沿建筑平面的周邊布置可以最大限度地加大抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，提高整個結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

4 剪力墻的高度對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)影響的分析

在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計中，經(jīng)常遇到這種情況，在結(jié)構(gòu)上部由于電梯數(shù)量減少或建筑師要求布置成開敞式的大空間等原因，要減少剪力墻、芯筒的尺寸，甚至完全取消。此時這種剪力墻不到頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)布置方案就應(yīng)運而生。目前國內(nèi)工程界并不主張這樣做，原因是這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的內(nèi)力變得復(fù)雜化；而國際上卻認為，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度可以沿高度發(fā)生突變，如果是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻甚至可以斷層，而且認為轉(zhuǎn)換層的截面設(shè)計只與該層分配到的絕對地

震作用效應(yīng)有關(guān)，不必對它進行特殊加固。

評估剪力墻的不同高度對結(jié)構(gòu)損傷性能的影響，可采用以下兩種分析方法：（1）動力彈塑性時程分析。輸入多條不同的地震波，將地震動的峰值加速度按不同抗震設(shè)防水準的要求進行調(diào)整，當?shù)卣鸩ㄗ饔媒Y(jié)束之后，利用損傷計算公式進行計算。（2）靜力彈塑性分析。在結(jié)構(gòu)上施加逐步增加的水平荷載，記錄每一步結(jié)構(gòu)的基底剪力、位移、剛度和等效自振周期等物理量的變化情況，當結(jié)構(gòu)的頂層位移達到預(yù)先所設(shè)定的數(shù)值時，利用損傷計算公式進行計算。

采用上述第一種方法進行分析時，地震波的選取對最后結(jié)果的影響是比較大的，且計算的工作量很大，所以我們采用第二種方法計算結(jié)構(gòu)在不同目標位移下的損傷指數(shù)。結(jié)構(gòu)的自振周期和結(jié)構(gòu)剛度之間是成比例關(guān)系的。

5 剪力墻和框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作原理及設(shè)計優(yōu)化建議

為了對框架．剪力墻結(jié)構(gòu)動力特性初步了解以及為后邊計算阻尼提供參數(shù)，首先對初始計算模型進行了模態(tài)分析?？紤]到結(jié)構(gòu)動力性能的影響因素，并針對不同影響因素所建立的計算模型進行模態(tài)分析。由初始計算模型的模態(tài)計算結(jié)果分析可知，本文所設(shè)計的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置對稱、規(guī)則合理；立面上質(zhì)量、剛度分布較均勻，結(jié)構(gòu)抗扭能力滿足要求，具有良好的整體性能，適合于計算研究；結(jié)構(gòu)前面幾個低階振型的運動在總運動中占主導(dǎo)地位。

[1] 袁兵，黃炎生，任立飛等.框架-剪力墻基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，34，(7).

[2] 薛海洪，席丁民，張曉丹.剪力墻對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2010，36，(3).