某高层框架—剪力墙结构设计要点的探讨

2011-04-12师希望林顺青

科学之友 2011年9期

师希望，林顺青

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.山西工程职业技术学院，山西太原 030024；3.莆田市高速公路有限责任公司，福建莆田 351100）

1 引言

近年来在国内设计领域涌现出了大量的建筑结构设计程序，其中最具代表性的且广泛应用于高层框架—剪力墙结构设计的是PKPM系列和TBSA系列。SATWE的核心是解决了剪力墙和楼板的模型化问题，尽可能地减小了其模型化误差，使分析结果能较好地反映出高层建筑结构的真实受力状态，可进行地震反应谱分析、时程分析等多种分析。

文章从分析研究的角度出发，以实际工程为背景采用PMCAD精确建模，利用SATWE分析并在验证了其计算结果准确性的前提下，以其计算结果为依据来探讨高层框架—剪力墙结构体系中设计要点的诸多问题。

2 工程概况

该高层建筑为公共综合性建筑，建筑面积11 200 m2，其中地下室800 m2，建筑总高度54.45 m，地下室埋深5.3 m，地下一层作为设备用房及仓库，地上13层，顶层作为会议室，为满足空间要求，结构采用钢框架；其中建筑高宽比H/B=2.52、长宽比L/B=2.13均较为理想。该建筑地处7度抗震设防区，建筑场地类别为B类，建筑场地特征周期为0.45 s（按近震设计），基本风压值为0.4 kN/m2，为保证水平力的传递和分配，使楼板平面内刚度无穷大，楼、屋面均采用现浇钢筋混凝土结构。

表1 结构振型周期表

3 模型计算结果的分析

3.1 动力特性

3.1.1 周期

计算结果见表1（由于篇幅的原因仅选取前5个振型的周期进行分析）。

根据结构周期的经验公式验算此模型的周期基本符合要求，但从振型参与系数可以看出第一、二、四、五周期基本为平动周期，其中第一、五周期为Y向平动周期，第二、四周期为X向的平动周期。第三周期平动成分较小，扭转成分较大。从这一结果可以看出本工程整体刚度很好。

根据“高规”第4.3.5规定，“结构平面布置应减少扭转的影响。结构扭转为主的第一自振周期Tt与结构平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85”，从而可以看出建筑的扭转比符合规范要求。

3.1.2 振型

SATWE软件采用振型分解反应谱法进行结构的地震反应分析。根据“高规”第5.1.13条第二款规定，抗震计算是宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应，振型数不小于15，对多塔结构不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。

X，Y方向的有效质量系数计算结果：X向地震有效质量系数99.78%；Y向地震有效质量系数99.50%。由以上规定来看，均满足要求。

从振型图可以看出模型中X方向振型较Y方向有较大摆动，说明结构X方向刚度相对于Y方向较弱，从振型图中大致看出此结构体系有利于结构抗震，结构振型图见图1。

图1 结构振型图

3.2 变形特性

新“高规”的4.3.5条规定，高层建筑的楼层竖向构件最大水平位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍；对于层间位移角，A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该楼层平均值的1.4倍。

从SATWE分析图形的角度直观地查看在地震作用下和风荷载的作用下层间最大位移和层间最大角位移，见图2、3、4、5，其中，图5中地震作用下Y方向的最大层间位移角为1/574，相对于其他情况下的层间位移角比较大，主要原因是顶层为钢结构加层，下面数层是钢筋混凝土结构，两者的阻尼比等设计参数差别较大，层高比较高，呈现出“上柔下刚”的受力机制，势必在地震作用下会出现这样的变形状态，但是还是符合“高规”的相关规定。

图2 地震作用下最大楼层位移

图3 地震作用下最大层间位移角

图4 风荷载作用下最大楼层位移图

图5 风荷载作用下最大层间位移角

3.3 内力特性

本工程地下室框架柱抗震等级为3级，剪力墙为4级。按照规范，二级要求轴压比小于等于0.6。笔者根据本结构模型的底层柱、剪力墙的最大组合内力简图（见图6）计算得到轴压比的主要分布在0.35~0.45之间，0.46~0.6以上占的比例很小，所以绝大部分剪力墙均没有完全发挥其力学性能，究其原因主要是结构设计偏于保守。

图6 底层柱、墙最大组合内力简图

4 结束语

通过对本模型计算结果的分析，对结构的动力特性、结构变形、内力特性有了一个全面的了解，下面笔者将通过对结构性能的分析对此结构设计的优缺点作一个评价。

4.1 动力特性

从结构模型的计算结果可以看出，本结构自振周期比高层结构周期经验公式计算的结果要小，说明结构刚度偏大。由楼层质点的振型图可以看出，结构的前4阶振型图较光滑，只是在地震作用时在第八周期结构振型图有拐点（摆幅较大），说明结构设计还是基本规则，满足“高规”的相关规定。

4.2 结构变形

高层建筑中为了保证结构具有较大刚度，应对层间位移加以控制，这个控制实际上是构件截面大小、刚度大小的一个相对指标。

层间位移角的限制却不包括建筑整体弯曲产生的水平位移，要求较宽松，显然层间位移是与结构的抗侧刚度紧密联系的，剪力墙结构的抗侧刚度主要是由剪力墙产生的，而剪力墙的多少又直接与混凝土和钢筋的用量相关，所以对位移进行控制就间接控制结构的造价，结构的经济性是在综合考虑各个控制因素的基础上对结构作出的功能与造价的最优比。

本结构模型的顶点位移变形比较大，笔者分析有两个原因：①鞭梢效应的影响；②顶层采用钢结构且层高较大，在地震作用下柔性较大，但小于“高规”的限值。说明原结构设计刚度适中，基本发挥结构的变形能力，设计基本合理、经济，但最大层间位移角均发生在地震作用下时，说明其控制作用的是地震的影响，进行设计的时候应将地震考虑成影响结构性能的主要因素。