多层框剪结构剪力墙合理设置的地震反应分析

朱海峰， 张红亚

（安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230022）

随着工业化、城市化的日益发展和建筑技术的高速发展，高层建筑因为其节约用地和节省投资等方面的优势而越来越成为建筑形式的首选。而框－剪结构体系综合了框架结构、剪力墙结构两者的优点:既可以柱网布置灵活，获得较大的使用空间，也可以具有较大的侧向刚度，具有很强的抗震能力，有效的减少在水平荷载作用下结构的侧移，避免砌体填充墙及各种设备在地震中严重破坏。经合理设计的框－剪结构体系经济性好，目前被广泛的应用于办公楼、住宅等高层建筑中。而剪力墙如何合理布置才能提高结构的抗震性能，减小层间位移，成为当今学者不断探讨的问题［1－6］。本文运用SAP2000对不同位置布置剪力墙的多层框剪结构办公楼进行了弹性时程分析，探讨了框架剪力墙结构中剪力墙的合理布置方法［7－16］。

1 框架剪力墙对比设置方案实例

1．1 工程实例

某12层框架——剪力墙结构办公楼，抗震设防烈度为8度，II类场地，设计地震分组为第一组，抗震等级为二级，安全等级二级，特征周期Tg为0．35s，设计基本地震加速度为0．2倍重力加速度，办公楼整体高度44．8m，首层层高4．8m，2层4．0m，3－12层均为3．6m，梁、板、墙、柱均为现浇，混凝土强度等级:梁、柱、墙在1－3层为C40，4－12层为 C30，中、边柱截面为500×500mm，纵向钢筋采用 HRB335钢，箍筋采用HPB235钢。其中剪力墙1层厚为300mm，2层厚为250mm，3－12层为230mm。

结构中剪力墙具体设置位置及尺寸见平面图1，SAP2000建立的实际工程模型见图2。

图1 剪力墙设置方案I（工程实例）

1．2 框架剪力墙对比设置方案

对比方案中剪力墙的布置数量、厚度和材料强度与工程实况中相同，只是剪力墙的设置位置发生了改变。剪力墙具体设置位置及尺寸见平面图3、图4，SAP2000建立的对比方案模型见图5、图6。

2 抗震分析计算

本工程结构采用SAP2000空间分析软件进行多遇地震下的弹性时程分析，分别对三个方案的两个主轴X方向和Y方向施加了EL－Centro地震波作用，其中输入的主分量峰值加速度为3．42m·s－2，阻尼比0．05，《高层建筑混凝土结构技术规程》第4．3．5条规定，本工程时程分析地震加速度最大0．70m·s－2，地震波输入时，其加速度比例系数取0．2进行调整。EL－Centro地震波调整后的峰值和波形曲线如图7。

图3 剪力墙设置方案二（对比方案）

图4 剪力墙设置方案三（对比方案）

图5 对比方案II结构模型

图6 对比方案III结构模型

图7 EL－Centro地震波波形图

2．1 X向和Y向在EL－C波作用下方案I和方案II对比

方案I和方案II的区别在于其剪力墙的布置位置不同，方案I的两方向剪力墙均呈L型布置，方案II则两方向剪力墙分开布置。就方案I与方案II分别输入水平方向X和Y方向的EL－C地震波，从而得到结构在水平地震作用下各节点的位移变化情况，图8分别列举了两个方案顶层梁柱节点处的UX和UY的位移曲线，列表分析位移变换时取其绝对值来观察结构的振动变形。

图8 方案I、方案II的X和Y方向顶层位移曲线

表1 方案I、II X方向最大楼层位移

表2 方案I、II Y方向最大楼层位移

据图8和上表1和表2可以得出，方案I的结构，顶层部位的X方向位移产生最大值，其值为27．18mm；方案II的结构其顶层部位X方向位移发生最大值，其值为38．73mm，两个方案X向位移最大值相差11．55mm。方案I的结构，顶层部位Y方向位移产生最大值，其值为23．56mm；方案II的结构其顶层部位Y方向位移发生最大值，其值为39．17mm，两个方案Y方向位移最大值相差15．61mm。

图9 方案I和方案II X向层间位移角曲线

图10 方案I和方案II Y向层间位移角曲线

由图9和图10可以得出方案IX方向的最大层间位移角为1／1412；方案IIX方向的最大层间位移角为1／933；方案IY方向的最大层间位移角为1／1520；方案IIY方向的最大层间位移角为1／901；

因而从分析中可以发现:方案II的结构位移X和Y方向均明显大于方案I的位移；两者X和Y方向最大位移角满足规范的限制，均不超过框剪结构的限制值1／800，但方案II的X和Y方向的层间位移角依然明显大于方案I的层间位移角。所以，方案I的抗震性能明显好于方案II的抗震性能，剪力墙均匀分散布置在结构的主要轴线上，在结构中形成双向抗侧力结构体系，提高了剪力墙的刚度，减小了层间位移和位移角。

2．2 X向和Y向在EL－C波作用下方案I和方案III对比

方案I和方案III的区别在于方案IY方向的剪力墙均匀分布在整个结构的四周且均匀分布在结构的四榀框架，而方案IIIY方向剪力墙则集中布置在整个结构的第二榀和第八榀。就方案I与方案III分别输入水平方向Y向和X向的EL－C地震波，从而得到结构在水平地震作用下各节点的位移变化情况，图11分别列举了方案I和方案III顶层梁柱节点处的UX和UY的位移曲线，列表分析位移变换时取其绝对值来观察结构的振动变形。

图11 方案I、方案III的X和Y方向顶层位移曲线

表3 方案I、III X方向最大楼层位移

表4 方案I、III Y方向最大楼层位移

据图11和表3和表4可以得出，方案I的结构，顶层部位的X方向位移产生最大值，其值为27．18mm；方案II的结构其顶层部位X方向位移发生最大值，其值为32．22mm，两个方案X向位移最大值相差5．04mm。方案I的结构，顶层部位Y方向位移产生最大值，其值为23．56mm；方案II的结构其顶层部位Y方向位移发生最大值，其值为27．63mm，两个方案Y方向位移最大值相差4．07mm。

图12 方案I和方案III X向层间位移角曲线

图13 方案I和方案III Y向层间位移角曲线

由图12和图13得出方案IX方向的最大层间位移角为1／1412；方案IIIX方向的最大层间位移角为1／1124；方案IY方向的最大层间位移角为1／1520；方案IIIY方向的最大层间位移角为1／1440；

因而从分析中可以发现:方案III的结构位移X和Y方向均大于方案I的位移；两者X和Y方向最大位移角满足规范的限制，均不超过框剪结构的限制值1／800，方案III的X和Y方向的层间位移角均大于方案I的层间位移角，但在Y向两者相差不大。所以，方案I的抗震性能明显好于方案III的抗震性能，将纵横向相邻剪力墙连接在一起，形成L型，提高了剪力墙的刚度和抗扭能力，减小了层间位移和位移角。

3 结 论

（1）本文主要以规则框架－剪力墙结构为例说明:剪力墙是主要的抗侧力构件，剪力墙结构中全部竖向荷载和水平力都主要由钢筋混凝土墙承受，若结构中剪力墙布置不对称、集中、不分散，都会导致结构的刚度中心和平面形心相差较远从而影响结构的抗震能力。

（2）剪力墙应均匀、对称并且尽可能分散的布置在结构的主要轴线上，从而在结构中形成双向抗侧力结构体系，提高结构的整体抗侧移刚度；

（3）纵横向相邻剪力墙宜连接在一起，形成L型T型或口型等，增大剪力墙的刚度和抗扭能力，从而在不增加剪力墙数量和厚度的前提下提高结构的抗震能力。

（4）若结构为不规则框架剪力墙结构，在平面形状凹凸较大结构中，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；在楼电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位均匀的布置剪力墙，且尽量与靠近的抗侧力结构结合，不宜孤立地布置在单片抗侧力结构或柱网以外的中间部分；当剪力墙不能延建筑物全高贯通时，相邻楼层刚度的减弱不宜大于30%。

1 JGJ 3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］．

2 GB 50011－2010，建筑抗震设计规范［S］．

3 GB 50010－2010，混凝土结构设计规范［S］．

4 郭任俊．高层建筑框架剪力墙结构设计［M］．中国建筑工业出版社，2010．

5 傅学怡．实用高层建筑结构设计［M］．第2版．北京:中国建筑工业出版社，2010．

6 B．S．Smith and A．Coull．Tall Building Structures:Analysis and Design，JohnWiley ＆Sons，Inc．2008．

7 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院．SAP2000中文版使用指南［M］．北京:人民交通出版社，2010．

8 慕 欣，框－剪结构的弹性时程分析［J］．安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2009，17（4）:21－23．

9 郭余锁，杨晓明，王俊义．地震作用下高层框架－剪力墙与框架结构的动力响应分析［J］，建筑科学，2010，（S2）；12－15．

10 ASCE／SEC41－46Seismic Rehabilit ation of Existing Buildings［S］．USA:American Society of Civil Engineers，2007．