框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 靜，鄭仁亮，王軍芳，張任巍

(三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004)

框架結(jié)構(gòu)中框架梁和框架柱是結(jié)構(gòu)僅有的一道抗震防線，在地震作用下破壞后很難修復(fù)，其抗震性能不好。密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)不僅是一種新型節(jié)能結(jié)構(gòu)，而且具有很好的抗震性能。將框架與密肋復(fù)合墻組合在一起形成的框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)是一種新型雙重抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系，在不大幅度增加造價(jià)的基礎(chǔ)上擁有多道抗震防線，抗震性能好，在中高地震烈度區(qū)域具有良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[1]對框架-密肋復(fù)合墻體的抗震性能做了試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[2]給出了框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[3]對框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性地震反應(yīng)分析。

多年來，前人不僅對單塊標(biāo)準(zhǔn)密肋復(fù)合墻在尺寸、框格跨數(shù)、造價(jià)、斜截面抗剪承載力等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)行了深入研究[4-5]，還對密肋復(fù)合墻的形式進(jìn)行了探索和改進(jìn)，研究了斜交肋格、用型鋼替代鋼筋等方法形成的斜交密肋框架結(jié)構(gòu)、框支斜交密肋復(fù)合墻、鋼骨外框密肋復(fù)合墻、輕鋼龍骨框格密肋復(fù)合墻及裝配式型鋼斜交密肋復(fù)合墻等新型單一密肋復(fù)合墻體的抗震性能[6-10]。

與新型式的密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)相比，傳統(tǒng)密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究理論比較成熟、施工難度低、普及性更廣。在滿足文獻(xiàn)[11]中對密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)布置要求的基礎(chǔ)上，對于擁有相同數(shù)量密肋復(fù)合墻且具有不同布置方式的框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的抗震性能還沒有進(jìn)行過詳細(xì)分析。此外，雖然目前已經(jīng)完成了在砌塊尺寸相同的條件下肋格組成對密肋復(fù)合墻性能的影響分析，但在密肋復(fù)合墻總尺寸不變的情況下分析肋格組成對密肋復(fù)合墻性能的影響的研究還比較少，且之前的研究只針對單片密肋復(fù)合墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于由框架和密肋復(fù)合墻組成的框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還比較缺乏。因此，本文對框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)整體在密肋復(fù)合墻布置方式和肋格組成方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，為框架-密肋復(fù)合墻的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 分析模型

分析對象為六層框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)布置如圖1所示。框架結(jié)構(gòu)中框架梁和框架柱的截面尺寸及配筋如圖2所示。密肋復(fù)合墻厚度為200 mm，尺寸如圖3所示，各構(gòu)件尺寸及配筋如圖4所示，肋格中填充的砌塊選用硅酸鹽砌塊，砌塊的材料性能如表1所示。結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級均選用C30混凝土，樓板厚100 mm。

圖1 柱網(wǎng)布置圖

圖2 框架柱、框架梁截面尺寸及配筋（單位：mm)

圖3 密肋復(fù)合墻尺寸

圖4 肋格梁柱尺寸及配筋(單位：mm）

表1 砌塊材料性能

抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組第二組，選用不同場地類別下的兩條典型地震波，如表2所示。

表2 地震波

2 密肋復(fù)合墻布置位置的優(yōu)化

2.1 模型選取

選用美國Computer and Sturctures Inc公司于2017年發(fā)布的SAP2000V19版本有限元分析軟件對框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。多層密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度承載力分布均勻[11]，在SAP2000中分別在柱網(wǎng)不同位置布置10片密肋復(fù)合墻，建立如圖5所示5種框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)模型，以滿足規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

圖5 框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)模型

2.2 地震反應(yīng)分析

在8度（0.2g）多遇地震和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移最大值如表3～4所示。結(jié)構(gòu)層間位移角如表5、表6所示，五種模型的層間位移角均小于框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值[11]。

表3 遷安波作用下結(jié)構(gòu)層間位移最大值/mm

表4 EL-Centro波作用下結(jié)構(gòu)層間位移最大值/mm

表5 遷安波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角/rad

表6 EL-Centro波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角/rad

由表3～6的數(shù)據(jù)可知，在遷安波作用下模型Ⅰ和模型Ⅲ的數(shù)據(jù)近乎相同，在EL-Centro波作用下模型Ⅲ的數(shù)據(jù)優(yōu)于模型Ⅰ的數(shù)據(jù)。兩模型中左右兩部分墻體的形心距離相等，但模型Ⅲ縱向墻體的間距小于模型Ⅰ。故在左半部分墻體和右半部分墻體形心距離相同的情況下，減小墻體的距離可以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度。這一結(jié)論與文獻(xiàn)12中規(guī)定的多層砌體房屋應(yīng)在房屋寬度方向的中部設(shè)置內(nèi)縱墻的要求相符合。

模型Ⅴ的數(shù)據(jù)優(yōu)于模型Ⅱ的數(shù)據(jù)，比較兩模型，模型Ⅴ中左右兩部分墻體的形心距離小于模型Ⅱ。模型Ⅳ的數(shù)據(jù)與模型Ⅴ的數(shù)據(jù)非常接近，比較兩模型，兩模型左右兩部分墻體的形心距離較小且差距不大。模型Ⅱ的數(shù)據(jù)與模型Ⅲ的數(shù)據(jù)非常接近，比較兩模型，模型Ⅱ中左右兩部分墻體的形心距離小于模型Ⅲ，且兩模型左右兩部分墻體的形心均較大。故當(dāng)左半部分墻體和右半部分墻體的形心距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，左右兩部分墻體的距離越小，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度越大；反之，亦然。當(dāng)左半部分墻體和右半部分墻體形心距離超過一定范圍時(shí)，左右兩部分墻體的形心距離對側(cè)移剛度的影響不大。這一結(jié)論與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則相符合，即剪力墻間距不宜過大，應(yīng)滿足樓蓋平面剛度的要求，否則應(yīng)考慮樓蓋平面的變形影響[13]。因此，框架-密肋復(fù)合墻在縱橫墻的布置上可以參考框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的縱橫墻布置原則。

3 密肋復(fù)合墻的肋格布置優(yōu)化

3.1 模型選取

框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)布置形式選用模型Ⅴ，密肋復(fù)合墻外部尺寸為2 800 mm×2 800 mm，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范[5,10]中對密肋復(fù)合墻內(nèi)梁柱距離的規(guī)定，墻體內(nèi)柱間距取400～900 mm，內(nèi)梁間距取400～800 mm，故肋格的跨數(shù)和層數(shù)取3或4。在密肋復(fù)合墻外部尺寸相同的情況下選取不同跨數(shù)、層數(shù)的肋格組合方式，如圖6所示。

圖6 密肋復(fù)合墻內(nèi)梁柱的組合布置方式

3.2 地震反應(yīng)分析

在抗震設(shè)防烈度8度（0.2g）多遇和罕遇地震波作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移最大值如圖7～8所示，樓層位移最大值如表7～8所示。

圖7 遷安波作用下層間位移最大值

圖8 EL-Centro波作用下層間位移最大值

表7 遷安波作用下結(jié)構(gòu)樓層位移最大值/mm

表8 EL-Centro波作用下結(jié)構(gòu)樓層位移最大值/mm

從圖7～8、表7～8中可以看出，在地震波作用下前三種組合各樓層的層間位移及樓層位移最大值相近，大致在一條直線上；組合4與前3種組合相比，雖然樓層3層至6層的層間位移略有增大，但是樓層1層至2層的層間位移卻減小了，故組合4結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)總位移與前三種組合相比相差不多。增加密肋復(fù)合墻中的肋格數(shù)量雖然提高了肋格的側(cè)移剛度，但同時(shí)減少了密肋復(fù)合墻中砌塊的面積，導(dǎo)致砌塊的側(cè)移剛度減小了，因此，兩相抵消導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度沒有明顯提高。故綜合考慮成本及規(guī)范要求，增加肋格的數(shù)量對框架-密肋復(fù)合墻的作用不明顯，這一結(jié)論與肋柱數(shù)量對密肋復(fù)合墻體力學(xué)性能的影響規(guī)律相符合[14]。

4 結(jié)論

（1）框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)布置時(shí)，除了應(yīng)滿足“均勻、分散、對稱、周邊”的規(guī)定外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)兩側(cè)的密肋復(fù)合墻形心的位置。在結(jié)構(gòu)兩側(cè)墻體形心距離相同的情況下，墻體距離越近，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)墻體形心的距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度隨兩側(cè)墻體形心距離的減小而增大；反之，亦然。當(dāng)結(jié)構(gòu)兩側(cè)墻體形心的距離超過一定范圍時(shí)，兩側(cè)墻體形心距離對結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度影響不大。

（2）在框架-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)中，通過增加密肋復(fù)合墻肋格的數(shù)量不能有效地提高結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度，故依據(jù)規(guī)范并考慮經(jīng)濟(jì)性，建議長度在2～3 m范圍內(nèi)的密肋復(fù)合墻中肋格的跨數(shù)和層數(shù)均取3。