徐 暢

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,湖北武漢 430063)

剪力墻水平斷面多采用 T型、L型等截面的形式,分別適用建筑內(nèi)外墻交接處、墻體轉(zhuǎn)角處和外墻連續(xù)轉(zhuǎn)角處等。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一般都是根據(jù)自已的經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識,對剪力墻墻肢截面的選擇一般都采用 L型、T型等截面的各種組合,但對剪力墻結(jié)構(gòu)體系中墻肢截面各種型式的選擇對結(jié)構(gòu)周期、位移比的影響都沒有做過對比分析。

扭轉(zhuǎn)周期與平動周期之比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)[3],是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)慣量分布大小的綜合反應(yīng)。控制周期比的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效,更合理,使結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。控制結(jié)構(gòu)周期比的實(shí)質(zhì)是,控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形要小于結(jié)構(gòu)的平動變形,周期比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí),而是要求結(jié)構(gòu)剛度布局合理,以此控制地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)激勵效應(yīng)不成為主振動效應(yīng),避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。如果周期比不滿足規(guī)范要求,說明該結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯,對抗震不利,應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。位移比包含兩項(xiàng)內(nèi)容[3]：(1)樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與平均水平位移的比值;(2)樓層豎向構(gòu)件的最大層間位移與平均位移的比值。

計(jì)算位移比應(yīng)考慮墻頂、柱頂?shù)蓉Q向構(gòu)件上節(jié)點(diǎn)的最大位移,不考慮其它節(jié)點(diǎn)的位移,位移比可以用結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的相對位置 (偏心率)表示,二者相距較遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大,位移比是控制結(jié)構(gòu)整體抗扭特性和平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。位移比不滿足要求的原因,往往是結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則,剛度布置不均勻,結(jié)構(gòu)上下層剛度偏心較大等。

層間最大位移與層高之比 (簡稱層間位移角)是控制結(jié)構(gòu)整體剛度和不規(guī)則性的主要指標(biāo)。限制建筑物特別是高層建筑的層間位移角主要目的有兩點(diǎn)：一是保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài),避免混凝土受力構(gòu)件出現(xiàn)裂縫或裂縫超過規(guī)范允許的范圍;二是保證填充墻和各種管線等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好,避免產(chǎn)生明顯的損傷。下面根據(jù)一工程實(shí)例來說明剪力墻墻肢截面組合對建筑結(jié)構(gòu)的周期比、位移比的影響。

1 工程概況

本工程計(jì)算模型為武漢市某公司 29層商務(wù)樓。總建筑面積約 12583m2,首層層高為 5.1m,第二層層高 4m,3—25層層高為 3m,26層層高 4.4m,屋面層層高 3.1m,機(jī)房層層高 2.8 m。

建筑高度 88.370m。圖1為該工程立面圖。

圖1 工程立面圖

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期限為 50年,抗震設(shè)防烈度為6度,地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為 0.05g。本工程建筑場地為 I類場地,按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。該工程為 A級高度建筑,其結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。場地的特征周期 Tg=0.40 s,水平地震影響系數(shù)最大αmax=0.08.基本風(fēng)壓 0.4KN/m2,地面粗糙為 C類,風(fēng)壓體形系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001的規(guī)定采用,樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按荷載規(guī)范取值。

為了分析各種墻肢截面對結(jié)構(gòu)的周期比和位移比的影響,現(xiàn)只對圖2、圖3、圖4中的橢圓包圍部分剪力墻截面進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整原則如下：①剪力墻單個截面調(diào)整后截面面積不變;②圖2中橢圓包圍部分剪力墻截面形式全為 T型;圖3中橢圓包圍部分剪力墻截面形式為既有 L形又有 T形;圖4中橢圓包圍部分剪力墻截面形式為全為 L形?，F(xiàn)用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的 PMCAD軟件分別建模,用 SAT WE軟件進(jìn)行分析。

圖2 方案 1結(jié)構(gòu)平面布置

圖3 方案 2結(jié)構(gòu)平面布置

圖4 方案 3結(jié)構(gòu)平面布置

2 計(jì)算分析

2.1 振型和周期

結(jié)構(gòu)前 3個振型的周期見表1。

表1 振型和周期/s

由表1分析可以看出,由方案 1到方案 3,第一平動周期變化率為 -2.3%,第二平動周期變化率為 -0.3%,第三扭轉(zhuǎn)周期變化率為 -0.8%,周期比變化率為 1.5%;方案 2第一平動周期、第二平動周期、第三扭轉(zhuǎn)周期介于方案 1和 3之間,周期比與方案 3的持平。

從以上變化可以得出,結(jié)構(gòu)在方案 1至 2至 3的情況下,整體剛度由小變大,在地震作用下吸收能量由大變小,地震反應(yīng)由弱變強(qiáng)。

2.2 位移角

風(fēng)荷載和多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大位移角見表2。

表2 最大位移角

由表2分析可以看出,在結(jié)構(gòu)布置方案 1至 2至 3的情況下,各工況下位移角均由大變小,表明結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度由小變大,方案 3抗側(cè)力剛度優(yōu)于方案 2,而方案 2抗側(cè)力剛度優(yōu)于方案 1。

2.3 位移比

風(fēng)荷載和地震作用下結(jié)構(gòu)的最大位移比如表3所示。

表3 風(fēng)荷載和地震作用下結(jié)構(gòu)的最大位移比

由表3分析可以看出,方案 1的樓層最大層間位移與該樓層平均值的最大比值與方案 2和 3相比略大,說明局部樓層有扭轉(zhuǎn)效應(yīng);而方案 2的樓層最大水平位移與該樓層平均值的最大比值較方案 1和3略大,說明局部樓層有扭轉(zhuǎn)效應(yīng);方案 3控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)略好。

2.4 風(fēng)荷載及地震作用下結(jié)構(gòu)整體位移及層間位移

風(fēng)荷載及地震作用下結(jié)構(gòu)整體位移及層間位移曲線 (SAT WE)如圖5所示 (三種方案疊加結(jié)果)。

圖5 結(jié)構(gòu)整體位移及層間位移曲線

圖5 結(jié)構(gòu)整體位移及層間位移曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出,在三種方案情況下,第一振型都為 X向一階平動,第二振型都為 Y向一階平動,第三振型都為扭轉(zhuǎn),且 T3/T1≤0.90,在風(fēng)、地震作用下樓層最大位移 (或?qū)娱g位移)與平均位移 (或平均層間位移)的比值,只有極少部分大于 1.2,但均小于 1.4,且層間位移角遠(yuǎn)小于 JGJ 3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第 4.6.3條層間位移角1/1000的要求[1]。本工程平動和扭轉(zhuǎn)振型獨(dú)立清晰,兩個方向剛度比較均勻,結(jié)構(gòu)抗扭性能良好。

風(fēng)荷載及地震作用下的樓層位移曲線比較平緩,說明不存在結(jié)構(gòu)剛度突變的薄弱層,結(jié)構(gòu)豎向布置均勻合理。計(jì)算表明,相鄰樓層側(cè)向剛度比滿足規(guī)范不小于 0.70要求[2],為豎向規(guī)則結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

3.1 在改變剪力墻墻肢截面的形式下而不改變剪力墻墻肢面積,當(dāng)用 T型剪力墻墻肢截面全部變成L型剪力墻墻肢截面,結(jié)構(gòu)的周期將會減小;第一扭轉(zhuǎn)周期/第一平動周期一般會變大;位移角將會變小;樓層最大層間位移與該樓層平均值的最大比值將變小。

3.2 在改變剪力墻墻肢截面的形式下而不改變剪力墻墻肢面積,當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)主要控制因素為控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和抗側(cè)力時,用 L型剪力墻墻肢截面代替 T型剪力墻墻肢截面將更優(yōu)。

3.3 當(dāng)計(jì)算結(jié)果超過規(guī)范一小部分,我們可以考慮用改變剪力墻墻肢截面來調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期比、位移比。

[1] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用圖解手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 陳岱林李云貴魏文郎.多層及高層結(jié)構(gòu) CAD軟件高級應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3] 楊星.PKPM結(jié)構(gòu)軟件從入門到精通[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.