复合结构墙体住宅的抗震性能研究

余兴华

(河南工程学院土木工程系，河南郑州 451191)

复合结构墙体住宅的抗震性能研究

余兴华

(河南工程学院土木工程系，河南郑州 451191)

在不同烈度地震作用下，针对某一复合结构体系住宅模型进行了承载能力分析，对几种烈度地震作用下的振型进行研究，为复合结构住宅的设计及适用范围提供了参考.

新型结构体系;抗震性能;复合结构

复合结构是由钢筋混凝土柔性梁柱和钢筋混凝土人字支撑(截面尺寸小于梁柱)组成的人字支撑新型结构，代替原多层住宅中的黏土砖承重墙.

1 复合结构墙体的一般构造

1.1 柔性梁柱加支撑的墙体

复合结构合理的柱截面为250 mm×250 mm，优化的支撑截面宽为120 mm［1］，如图1所示.因此，可使用厚度为60 mm的2块轻质墙板将复合结构的支撑夹在中间作为墙体材料.同时，为了满足目前住宅墙体的节能设计标准，可根据需要，在墙板之间加入保温材料.

图1 人字支撑复合结构

1.2 不加支撑的墙体

作为住宅纵向墙体，主要满足照明、通风、交通等要求，因此，需开较大的门窗洞口，通常设计为非承重结构，仅采用梁柱结构而不加支撑.所以，其墙体既可以选择轻质墙板，也可以选择混凝土加气块或粉煤灰空心砌块等材料.

由文献［1－4］可知，在所加支撑的帮助下，梁柱在竖向荷载作用下的内力较梁柱结构大大减小;而在地震作用下，支撑起主要的抗侧、抗震作用，使复合结构具有良好的抗震性能，满足住宅结构承载力和使用要求，以上主要针对单榀的复合结构墙体.复合结构墙体住宅整体的抗震性能是将其用于实际工程之前必须研究的内容.笔者采用工程常用软件PKPM，通过对不同抗震设防烈度下复合结构墙体住宅模型进行计算、分析，研究复合结构墙体住宅的抗震性能.

2 不同抗震设防烈度时承载能力分析

以莱钢樱花园4#楼［5］1个单元为研究对象，以复合结构作为承重横墙，以不加支撑的框架作为纵向墙体，采用预应力预制楼板，共6层，层高为2.9 m，建立PKPM计算模型，以纵向墙体方向为X方向，沿承重横墙方向为Y方向建立坐标系.基本风压设定为0.45 kN/m2.

2.1 柱承载能力

应用所建立的PKPM模型，通过调整抗震设防烈度，分别计算出该模型在不同设防烈度时柱子的承载力.图 2—4分别为抗震设防烈度为 7度(0.15 g)、8 度(0.2 g)及 8 度(0.3 g)时该建筑第1层的柱子轴压比与有效长度系数.

由图2—4可知，抗震设防烈度为7度(0.15 g)和8度(0.2 g)时，柱子的轴压比均未超过0.9，符合规范的要求.但抗震设防烈度为8度(0.2 g)较7度(0.15 g)设防时轴压比均有所提高.设防烈度为8度(0.3 g)时，与设防烈度为 8 度(0.2 g)相比，4根边柱的轴压比超过限值0.9，不满足承载力的要求.但可以通过增大这些边柱的截面尺寸或混凝土强度等级来减小轴压比.

2.2 支撑承载能力

同2.1节研究方法，通过调整设防烈度分别进行计算，计算后调取支撑内力及配筋计算结果.结果显示，图2所示位置的支撑19及27内力最大，表1—3分别为抗震设防烈度为7度(0.15 g)、8度(0.2 g)及8度(0.3 g)时该建筑第1层内力最大支撑在各荷载工况下的内力.

表1 设防烈度为7度(0.15 g)时支撑19及27在各荷载工况下的内力

表2 设防烈度为8度(0.2 g)时支撑19及27在各荷载工况下的内力

表3 设防烈度为8度(0.3 g)时支撑19及27在各荷载工况下的内力

柱距大的复合结构，其支撑的长细比大，支撑受压承载力小.计算模型中，梁柱复合结构2柱之间最大距离为4.5 m，其支撑的受压承载力计算公式为

式中:φ为稳定系数;fc为混凝土抗压强度设计值;b，h分别为支撑截面宽度及高度.

由公式(1)计算得到支撑的受压承载力为156.8 kN.抗震设防烈度为 7 度(0.15 g)、8 度(0.2 g)以及8度(0.3 g)时该支撑的轴压力分别为113.8 kN，132.1 kN 及167.8 kN.显然，抗震设防烈度为7度(0.15 g)及8度(0.2 g)时，该支撑的轴压力均小于支撑的受压承载力，满足要求;8度(0.3 g)设防时，支撑承载力不满足要求.

通过调取计算结果，得到内力最大的支撑19及27在抗震设防烈度为7度(0.15 g)及8度(0.2 g)时的配筋，见表4.根据表4配筋结果可得，该支撑截面需配置4φ12(452 mm2).纵向钢筋配筋率计算公式为

式中:A's为纵向钢筋截面面积;b，h分别为支撑截面宽度及高度.

由公式(2)计算得到该支撑面纵向钢筋配筋率为3.1%，大于最小配筋率 ρ'min(0.5%)，小于最大配筋率 ρ'max(5%)，满足规范要求［6］.

表4 支撑19及27配筋

2.3 楼层抗剪承载力

同2.1节研究方法，通过调整设防烈度分别进行计算，计算后调取最大楼层剪力计算结果.图5及图6分别为抗震设防烈度为7度(0.15 g)及8度(0.2 g)时X向和Y向最大楼层剪力曲线.X向与Y向最大楼层剪力均出现在一层，抗震设防烈度为7度(0.15 g)时，X向和 Y向最大剪力分别为479.5 kN及1 033.2 kN.设防烈度为 8 度(0.2 g)时，分别为639.3 kN 及1 377.6 kN.

该建筑楼层受剪承载力可以按照仅配置箍筋的矩形截面的斜截面受剪承载力进行计算［6］，公式为

式中:Vcs为构件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承载力设计值;ft为混凝土抗拉强度设计值;b为截面宽度;h0为截面有效高度;Asv为箍筋截面面积;s为箍筋间距;fyv为箍筋抗拉强度设计值.

该模型采用C30混凝土，截面尺寸为250 mm×250 mm，箍筋直径φ10@200，由公式(3)计算得到构件斜截面上混凝土和箍筋的受剪承载力设计值Vcs为79.488 kN，模型共有32根柱子，其总抗剪承载力为 2 543.616 kN，大于 7度(0.15 g)及 8度(0.2 g)设防时X向和Y向的最大楼层剪力.因此，该建筑楼层抗剪承载能力满足要求.

3 振型分析

以抗震设防烈度为7度(0.15 g)地震作用下为例，进行住宅结构的振型分析.

3.1 1个单元住宅结构的振型

图7为该住宅1个单元前5个振型叠加的质心振动简图，由图可知，第1—3振型发生的方向均为X(与新型复合结构体系垂直)方向;第4振型为Y(新型复合结构)方向，第5振型发生在X方向.

由图7可知，X方向的刚度远小于Y方向的刚度，其根本原因是Y方向布置的是新型复合结构体系，支撑不仅可以减少框架梁柱的内力，还可以大幅度提高沿本身方向的刚度.为了改善纵向刚度，使房屋沿2个方向的刚度接近，在不影响使用的情况下，在沿X方向的框架结构上加设支撑，或沿X方向增加单元数.

图7 1个单元前5个振型叠加的质心振动简图

3.2 3个单元住宅结构的振型

图8为3个单元时前5个振型叠加的质心振动简图.由图可知，3个单元时，第1，2振型均发生在X方向;第3，4振型发生在Y方向;第5振型发生在X方向.和1个计算单元相比，3个单元模型沿X方向的刚度有所加强，和Y方向的刚度更加接近.

3.3 1个单元住宅结构沿X方向部分框架加设支撑的振型

图9为1个单元的住宅结构沿X方向部分框架内加设7道支撑时，前5个振型叠加的质心振动简图.

由图9可知，在X方向部分框架内加设支撑时，第1振型发生在X方向，第2振型发生在Y方向，第3振型发生在X方向，第4振型发生在X方向，第5振型发生在Y方向.

因此，通过沿X方向加设支撑，可以大幅度地提高X方向的刚度，进行房屋设计时可以根据需要计算确定.

4 结语

1)采用PKPM软件对新型复合结构住宅进行计算，结果表明，抗震设防烈度对复合结构住宅的结构影响较大.经分析，柱截面为250 mm×250 mm，支撑截面宽度为120 mm的复合结构体系住宅，在设防烈度为7度(0.15 g)和8度(0.2 g)时，承载力满足要求;设防烈度为8度(0.3 g)时，部分柱及支撑出现轴压比超限，可通过增加截面尺寸和混凝土强度等级的方法达到要求.

2)由振型分析可知，新型复合结构体系由于支撑的作用，沿自身方向的刚度大大提高.为了使新型复合结构体系住宅沿X方向及Y方向的刚度平衡，可根据需要在适当的位置加设支撑或沿刚度弱的方向增加单元数.

［1］王新玲，曹双寅.多层住宅复合结构的Pushover分析及支撑优化［J］.福州大学学报:自然科学版，2005，33(增刊):30－35.

［2］王新玲，李海明，杨广宁.多层住宅复合结构体系的结构选型分析［J］.工业建筑，2005，35(1):37 －39.

［3］王新玲，张海东.多层住宅复合结构在竖向荷载作用下的试验分析［J］.郑州大学学报:工学版，2005，26(4):5－8.

［4］王新玲，赵更歧，张海东.多层住宅复合结构的抗震试验研究［J］.土木工程学报，2006，39(8):51 －56.

［5］曲成平.H型钢钢结构节能住宅建筑体系的综合评价［D］.重庆:重庆大学建设管理与房地产学院，2004.

［6］中国建筑科学研究院.GB 50010—2002混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

Seismic Performance Study on Residential Buildings Made of Composite Structures

YU Xing-hua
(College of Civil Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191，China)

Aiming at a residential building model made of composite structures，the carrying capacity in different seismic intensity was analyzed，and the mode of vibration under the action of earthquake in some intensity was studied，which would provide the reference for the design and the applicable scope of residential buildings made of composite structures.

new structural system;seismic performance;composite structure

1002－5634(2011)05－0066－05

2011－05－15

河南省自然科学基金项目(511050400).

余兴华(1979—)，男，河南信阳人，助教，硕士，主要从事结构工程方面的研究.

(责任编辑:乔翠平)