連梁剛度對不等肢剪力墻剛度的影響研究

劉飛姣 楊宗仁

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 山西運(yùn)城 044000； 2.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司新能源工程分公司 山西太原 040001)

連梁剛度對不等肢剪力墻剛度的影響研究

劉飛姣1楊宗仁2

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 山西運(yùn)城 044000； 2.中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司新能源工程分公司 山西太原 040001)

針對實(shí)際工程中出現(xiàn)的鋼筋混凝土不等肢剪力墻結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，文章利用軟件MIDAS GEN8.0有限元分析軟件建立了雙肢不等肢剪力墻有限元模型，對連梁與不等肢剪力墻肢剛度的關(guān)系進(jìn)行了靜力彈塑性分析，并深入研究了影響因素，分析結(jié)果表明：連梁、小墻肢的剛度越大，其整體受力體系剛度越大。

連梁剛度；不等肢剪力墻；MIDAS

0 引言

剪力墻是多高層結(jié)構(gòu)體系中其抗側(cè)力體系的重要組成部分，為滿足各種使用功能，需在剪力墻上開設(shè)門、窗等結(jié)構(gòu)洞，于是就形成了聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)。各墻肢間由連系梁相連，連梁的剛度、強(qiáng)度及變形性能對聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能有很大的影響[1]。常為華，張相勇[2]等采用近似理論揭示了連梁剛度與墻肢剛度在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布中起到的作用及相互之間的關(guān)系和影響。劉偉，王娛[3]等通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究了雙肢短肢剪力墻的抗震性能。

在現(xiàn)實(shí)高層建筑結(jié)構(gòu)中，雙肢不等肢及多肢不等肢墻肢占絕大多數(shù)，為更好研究連梁與不等肢墻肢剛度之間的規(guī)律，本文利用MIDAS /GEN分析軟件模擬分析連梁的剛度與不等肢連肢墻抗震性能的關(guān)系[4]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,MIDAS/GEN 全面強(qiáng)化了實(shí)際工作中結(jié)構(gòu)分析所需要的分析功能[5]。通過在已有的入索單元、鉤單元、間隙單元等非線性單元，結(jié)合施工階段、時(shí)間依存性、幾何非線性等最新結(jié)構(gòu)分析理論，從而計(jì)算出更加準(zhǔn)確和切合實(shí)際的分析結(jié)果[6]。此研究對現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 有限元分析模型的建立

基于本文研究連梁剛度對不等肢剪力墻剛度的影響規(guī)律，本文建立一個6層雙肢不等肢剪力墻結(jié)構(gòu)分析模型。模型總高度18.0m，層高均為3.0m，模型平面、立面如圖1～圖2所示。圖中L1的截面寬度為200mm，高度為400mm ～1600mm； L2截面尺寸為200mm～500mm。本模型墻體混凝土等級均為C30，墻厚為200mm，不考慮樓板的影響。工程所在場地抗震設(shè)防烈度為7度，第一組抗震等級為二級。

圖1 不等肢剪力墻平面圖

圖2 不等肢剪力墻模型立面圖

本模型中一側(cè)剪力墻墻肢為L形帶翼緣，本墻肢墻肢高2000mm，翼緣高800mm，墻肢及翼緣高度均保持不變，為下文表述方便簡稱為大墻。另一側(cè)墻肢亦為L形帶翼緣，翼緣高同大墻，墻肢高度參數(shù)如表1所示；為下文表述方便稱為小墻。表 1中以小墻的墻肢高度命名，例如墻肢SD1800表示大墻肢高2000mm，翼緣高800mm，小墻肢高1800mm，翼緣高800mm。通過模型中結(jié)構(gòu)Y向周期、位移的規(guī)律來研究連梁的剛度與不等肢連肢墻抗震性能的關(guān)系。

表1 不等肢墻肢參數(shù) m

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 不等肢墻肢

不等肢剪力墻是指兩墻肢的截面高度不一樣，為便于分析，墻肢中大墻肢截面高度取2000mm，連梁及小墻肢的截面高度作為變量。表 2為SD1800的周期位移表，圖3～圖5分別為不等肢墻SD1200、SD1400、SD1800連梁與墻肢剛度比與Y向位移關(guān)系曲線。

剛度比(連梁/大墻)位移/剛度/(連梁/大墻)

剛度比(連梁/大墻)位移/剛度(連梁/小墻)圖3 不等肢(SD1200)不同剛度比的位移圖

剛度比(連梁/大墻)位移/剛度/(連梁/大墻)

剛度比(連梁/大墻)位移/剛度(連梁/小墻)圖4 不等肢(SD1400)不同剛度比的位

剛度比(連梁/大墻)位移/剛度/(連梁/大墻)

剛度比(連梁/大墻)位移/剛度(連梁/小墻)圖5 不等肢(SD1800)不同剛度比的位移

由圖3～圖5中結(jié)構(gòu)不同截面連梁下結(jié)構(gòu)位移曲線圖可知：模型位移與連梁及大、小墻肢剛度比變化規(guī)律一致，均為越大而越小；從曲線的變化規(guī)律不難得知剛度比越大位移變化越平緩。

對比圖3～圖5中連梁與不同墻肢組合下墻肢的剛度比可知：小墻肢截面較大的結(jié)構(gòu)其在相同的剛度比條件下位移越小，即結(jié)構(gòu)的剛度越大；連梁與小墻肢剛度比為1附近時(shí)，3種墻肢在曲線的變化率僅為初始變化率的3%～5%，且墻肢越小變化越明顯。

表2 不等肢墻肢SD1800不同剛度比下的周期位移

通過以上結(jié)論進(jìn)行受力機(jī)理分析如下：連梁剛度較小時(shí)，其對雙側(cè)墻肢的約束力不足，雙側(cè)墻肢和連梁未能形成一個有效的抗側(cè)力體系。在水平力作用下，雙側(cè)墻肢各自利用自身的剛度承擔(dān)了一部分力，但各墻肢力臂較小，故承載力有限，體系剛度不足。連梁剛度較大時(shí)，其對雙側(cè)墻肢的約束力大，雙側(cè)墻肢和連梁形成一個有效的抗側(cè)力體系，該受力體系承擔(dān)水平作用力，此時(shí)兩側(cè)墻肢分別受壓、受拉，力臂較大，故承載力大，體系剛度較大。當(dāng)結(jié)構(gòu)體系形成，連梁的剛度進(jìn)一步加大對體系的力臂增大并無實(shí)質(zhì)影響，故并不能靠無限增大連梁截面來提高結(jié)構(gòu)抗測力剛度。

2.2 連梁等截面下不同墻肢組合對聯(lián)肢剪力墻的影響

模型中控制連梁的截面尺寸保持恒定，通過調(diào)整小墻墻肢截面高度，研究在等截面連梁下墻肢(大墻/小墻)剛度比變化對結(jié)構(gòu)位移的影響。圖6表示在連梁等截面條件下不同聯(lián)肢剪力墻墻肢組合的位移。

(a)連梁截面高度為600mm

(b)連梁截面高度為800mm

(c)連梁截面高度為1000mm

(d)連梁截面高度為1200mm圖6 連梁等截面下不同墻肢組合下聯(lián)肢剪力墻位移

對比圖6中等截面連梁下，大小墻肢剛度比與位移的曲線圖可知：大墻肢、連梁截面一定時(shí)，大墻與小墻剛度比越大結(jié)構(gòu)整體剛度就越小，即同等條件下小墻肢越小，結(jié)構(gòu)剛度越差。當(dāng)連梁截面剛度越大時(shí)，墻肢剛度比變化對結(jié)構(gòu)的剛度影響就越小。

對以上結(jié)論進(jìn)行受力機(jī)理分析，結(jié)果如下：其它條件一定時(shí)，結(jié)構(gòu)體系中小墻肢截面越小，其在水平力作用下越先屈服破壞，故結(jié)構(gòu)體系整體承載力便越??；連梁剛度越大，其結(jié)構(gòu)體系整體性也越好，單墻肢剛度比變化對結(jié)構(gòu)的剛度影響就越小。

3 結(jié)論

本文通過建立了多個不等肢剪力墻分析模型，分別研究了在大小墻肢不變時(shí)其連梁剛度對結(jié)構(gòu)剛度的影響和在連梁剛度不變時(shí)大小墻肢剛度比對剛度的影響，通過對以上模型模擬數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)不等肢剪力墻結(jié)構(gòu)大、小墻肢截面高度均不變時(shí)，模型位移隨著連梁與墻肢剛度比越大即連梁剛度越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，且剛度比越大，位移變化越平緩；

(2)不等肢剪力墻結(jié)構(gòu)大、小墻肢截面高度均不變時(shí)，連梁與小墻肢剛度比為1附近時(shí)，3種墻肢在曲線的變化率僅為初始變化率的3%～5%，且墻肢越小變化越明顯；

(3)大墻肢、連梁截面一定時(shí)，大墻與小墻剛度比越大，結(jié)構(gòu)整體剛度就越小，即同等條件下墻肢截面越小，結(jié)構(gòu)剛度越弱；

(4)當(dāng)連梁截面剛度越大時(shí)，墻肢剛度比變化對結(jié)構(gòu)的剛度影響就越小。

(5)連梁的截面剛度、單個墻肢的截面剛度與結(jié)構(gòu)的整體剛度正相關(guān)，但均程曲線變化均趨平緩。

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，為滿足建筑結(jié)構(gòu)使用功能及結(jié)構(gòu)安全，往往出現(xiàn)墻肢大小不一，結(jié)構(gòu)的位移往往超過規(guī)范規(guī)定的限制[7]。在剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁往往出現(xiàn)在門窗洞口上，其截面尺寸基本不可改變，設(shè)計(jì)人員可調(diào)整墻肢的高度來滿足結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)要求。當(dāng)墻肢的尺寸不可調(diào)節(jié)時(shí)，往往可調(diào)節(jié)連梁的尺寸，弱化或強(qiáng)化連梁的剛度來改善聯(lián)肢墻體的受力性能[8]。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)相關(guān)的理論知識調(diào)整墻肢及連梁截面的大小，從而將結(jié)構(gòu)剪力均勻地分配到各墻肢中。此研究方向尚有很多問題需要在今后的研究中得到更好的解決。

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ThestudyoftheunequallimbshearwallstiffnessbyTheinfluenceofcouplingwall-beamstiffness

LIUFeijiao1YANGZongren2

(1.Shanxi conservancy technical institute Department of Architectural Engineering Yuncheng 044000;2.China energy construction group shanxi electric power survey and design institute New energy engineering branch,Taiyuan 040001)

The present situation of the unequal limb shear wall structure of reinforced concrete in the practical engineering is presented.The finite element model of the double unequal limb shear wall was established in this paper through the use of MIDAS GEN8.0 finite element analysis software.The static elastic plastic analysis of the stiffness of the shear wall of the connecting beam and the unequal limb shear wall is carried out，It is concluded that the greater the rigidity of the beam and the small wall,the greater the rigidity of the overall force system and the influence factors were studied.

Rigidity of coupling wall-beam；Unequal limb shear wall；MIDAS

劉飛姣(1987- )，女。

E-mail:yangzongreng@126.com

2017-07-20

TU3

A

1004-6135(2017)12-0058-04