层高和墙厚对高层建筑剪力墙数量的影响

张 超，陈锐林，戴可以，胡 迪

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)



层高和墙厚对高层建筑剪力墙数量的影响

张 超，陈锐林，戴可以，胡 迪

(湘潭大学 土木工程与力学学院，湘潭 411105)

运用有限元结构软件 SATWE 通过对工程实例计算分析，研究高层建筑剪力墙结构的层高和墙厚变化对剪力墙数量的影响,得出一些参建议.考虑了层高、混凝土强度等级、墙厚三个因素对结构的影响，定量地分析了剪力墙的抗侧刚度与各个参数变化的关系以及结构自振周期、刚重比、地震剪力等这些力学特性参数的变化规律；同时，还通过调整剪力墙墙厚与层数变化来控制结构最大层间位移角不变来研究结构抗侧刚度与墙厚和层数的关系.

剪力墙结构；层高；墙厚；刚重比

随着社会的不断发展，高层建筑也在迅猛增加，结构体系更加以多样化迅速向前发展.剪力墙结构作为高层建筑结构体系的主要形式，对于剪力墙的合理布置数量的研究以及掌握各个因素对剪力墙刚度的影响对于节约建设成本具有指导性意义.

国内对纯剪力墙结构的研究起步比较晚，对于剪力墙结构中剪力墙合理数量的研究最早要数傅学怡，他对不同配筋和截面材料的剪力墙的分析，得到承载力骨架曲线相匹配的墙体竖向配筋，并且得到了截面复杂剪力墙的设计方法.王全凤等[1-4]提出了结构中剪力墙不是刚度越大越好，还对剪力墙自身基础的转动对剪力墙合理刚度的影响做了研究，并得出结论.沈蒲生、孟焕陵等[5-8]推导出剪力墙在均布荷载、倒三角形荷载作用下满足层间侧移角条件的计算公式.钱稼茹等[9]在Alessandro Dazio等的研究基础上，通过对6片剪力墙的弹塑性分析，得出边缘构件长度、轴压比等对剪力墙的变形能力和承载力的影响作用.郑竹等[10]利用Perform-3D程序对深圳罗湖新村52层剪力墙建筑进行罕遇地震下静力弹塑性分析，结果发现在弹塑性时程与静力弹塑性分析情况下结构反应相似.王国安等[11]验算超高层结构的竖向振动，从静力弹塑性分析发现剪力墙建筑的薄弱部位.文献[12-13]分别概述了某个高层结构的设计方法，对高层结构设计的关键问题提出了解决方法.

本文以长沙市某高层剪力墙住宅楼为工程背景，研究层高、墙厚对剪力墙合理数量的影响.

1 工程概况

长沙市某30层剪力墙住宅楼，标准层层高3.00 m；第30层为电梯机房，层高4.80 m；建筑物总高度91.80 m.建筑沿X方向的宽度为29.60 m，沿Y方向的宽度为16.00 m，属于A级高度钢筋混凝土高层建筑结构，该工程的主体结构体系为现浇钢筋混凝土剪力墙结构，设计使用年限为50年.该工程的建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计地震加速为0.05 g，设计地震分组为第一组，剪力墙抗震等级为三级，建筑场地类别为II类.该工程位于密集建筑群的城市市区可知地面粗糙度为C类.标准层结构平面图如图1所示.

图1 标准层结构平面

2 层高影响分析

以 15层结构为研究对象，层高分别取2.8 m、3.0 m、3.2 m、3.4 m.改变层高，分别从振动周期、地震剪力、刚重比这些参数随层高的变化关系.重点对振动周期、地震剪力、刚重比等结果进行研究分析.地震作用计算采用水平地震作用计算，地震力、风荷载按X、Y两个方向计算，结构体型系数取1.3，计算振型个数首次15个振型，确保有效质量系数达到90%以上，周期折减系数取1.0，活载质量按照规范进行相应折减，振型组合时采用扭转藕联组合方式并且考虑偶然偏心，地震最大影响系数在多遇地震时取0.04，结构阻尼比取0.05，计算结构位移时，对所有楼层采用楼板刚性假定.

2.1 振动周期随层高的变化

从 SATWE计算结果的数据运用origin 绘图程序绘制出振动周期随层高的变化曲线如图2所示.

图2 振动周期随层高的变化曲线

可以看出研究的工程实例得到的振动周期基本满足规范要求.随着层高的增大，结构的自震周期近似于线性增长.自振周期的增长率随层高的增长关系见表1，随着层高的增大，结构自振周期的增长速率也增大，我们可以通过调整结构的层高来控制结构的自振周期，使得结构刚度处于一个合理范围.

表1 Y向自振周期随层高增长的变化

2.2 地震剪力随层高的变化

从 SATWE计算结果的数据运用origin绘图程序绘制出地震剪力随层高的变化曲线如图3所示.

图3 地震作用基底剪力随层高的变化曲线

可以看出地震剪力随剪力墙结构层高增大而减小，结构层高增大，结构的抗侧刚度减小，从而地震剪力也随之减小.随着剪力墙层高的不断增大，地震剪力减小趋势变缓.地震剪力的减少率随层高的增长关系如表2所示.

表2 Y向地震剪力减少率随层高增长的变化

2.3 刚重比随层高的变化

从SATWE计算结果的数据运用origin绘图程序绘制出刚重比随层高的变化曲线如图4所示.

可以看出随着剪力墙结构层高的增加，刚重比在减小，但均在规范所规定的范围内，同时也说明，减小剪力墙结构的层高，可以增大结构抗侧刚度，从而提高了结构的安全性和稳定性.

图4 刚重比随层高的变化曲线

3 墙厚影响分析

以 15层结构为研究对象，墙厚分别取200 mm、250 mm、300 mm、350 mm.改变墙厚，分别从振动周期、地震剪力、 刚重比这些参数随层高的变化关系.由于X、Y两个方向的计算结果变化的趋势相近，故本文重点对Y方向振动周期、地震剪力、刚重比等结果进行研究分析.

3.1 振动周期随墙厚的变化

从 SATWE计算结果的数据运用origin绘图程序绘制出振动周期随墙厚的变化曲线如图5所示.

图5 振动周期随墙厚的变化曲线

在平面布置不变、层高不变时，剪力墙结构的周期随着墙厚的增大而减小，我们可以增大剪力墙的厚度来增大结构的刚度，降低周期.结构自振周期的减少率随墙厚的增长关系如表3所示.

表3 Y向自振周期随墙厚增长的变化

对比表1和表3可以看出，剪力墙结构的层高对结构的自振周期的影响比墙厚对结构的自振周期的影响要显著一些.当结构的周期不能控制在规范的范围内时，我们可以调整结构层高和剪力墙厚度来控制结构的自振周期，调整层高比调整剪力墙墙厚起到的效果会更加明显.

3.2 地震剪力随墙厚的变化

从SATWE计算结果的数据运用origin绘图程序绘制出振动周期随墙厚的变化曲线如图6所示.

图6 地震作用基底剪力随墙厚的变化曲线

随着剪力墙墙厚的增加，地震剪力近似于线性增加，结构的抗侧刚度随着剪力墙墙厚的增大而增大，从而地震剪力也增大，当地震剪力的增长率随墙厚的增长关系如表4所示.

表4 Y向地震剪力减少率随墙厚增长的变化

对比表2和表4可以看出，剪力墙墙厚对结构地震剪力的影响比层高对结构地震剪力影响要显著一些.

3.3 刚重比随墙厚的变化

从SATWE计算结果的数据运用origin绘图程序绘制出刚重比随墙厚的变化曲线如图7所示.

可以看出随着剪力墙墙厚的增加，刚重比在增加，均在规范所规定的范围内，同时也说明，增大剪力墙墙厚，可以增大结构抗侧刚度，从而提高了结构的安全性和稳定性.

图7 刚重比随墙厚的变化曲线

4 结语

本文通过对不同剪力墙结构层高、不同剪力墙墙厚运用有限元结构分析软件SATWE进行计算分析对比，另外，针对不同剪力墙结构层高，通过调整剪力墙的墙厚来保证结构的最大层间位角不变来分析层数对剪力墙结构抗侧刚度的影响，得出以下主要结论:

(1)随着剪力墙结构层高的减小和剪力墙墙厚的增加，结构基本周期减小，结构的刚度得到提高，且结构层高对结构抗侧刚度的影响比剪力墙墙厚对结构抗侧刚度的影响要大.

(2)随着结构层高的减小和剪力墙墙厚的增加，地震剪力也在增大，且墙厚对地震力的影响比结构层高对地震力的影响要大.在设计中，通过调整结构层高和剪力墙墙厚来改变抗侧刚度的同时还应该考虑对地震力的影响.所以墙厚、结构层高的选取需要同时考虑对剪力墙结构抗侧刚度和地震反应两方面影响.

[1] 王全凤,施士升.框架-剪力墙高层建筑结构抗地震荷载剪力墙数量的优化分析[J].土木工学报,1981,14(3):1-12.

[2] 王全凤,施士升.50米以上高层建筑在地震荷载下剪力墙数量的确定[J].华侨大学学报,1982：96-106.

[3] 韦鹏生,王全凤.多因素对剪力墙最优刚度影响的综合分析[J].工程力学,1996,13(2):96-106.

[4] 李育楷,王全凤.不需要计算机的建筑结构优化-概念设计[J].工业建筑,2001,31(10):21-23.

[5] 孟焕陵,沈蒲生.倒三角形荷载作用下框剪结构中剪力墙的合理数量[J].四川建筑,2004,2(42):55-57.

[6] 孟焕陵,沈蒲生.均布荷载及集中荷载作用下框-剪结构中剪力墙的合理数量[J].华中科技大学学报(城市科学版)2004,21(1):64-68.

[7] 沈蒲生,孟焕陵.基于优化原理框-剪结构中剪力墙合理数量[J].湖南大学学报(自然科学版)2006,33(5):1-5.

[8] 孟焕陵.高层建筑结构的体系判别合理刚度及扭转计算研究[D].湖南大学硕士学位论文,2006：1-4.

[9] 陈 勤,钱稼茹,李耕勤.剪力墙受力性能的宏模型静力弹塑性分析[J].土木工程学报,2004,37(3):35-43.

[10]郑 竹,沈 伟,马臣杰.Perform-3 D在某超高层结构弹塑性分析中的应用[J].施工技术,2011, 40(4):41-44.

[11]王国安,冯 平.柳州地王国际财富中心超高层结构抗震设计[J].建筑结构,2011,41(1):41-44.

[12]任魁生,杨 曦,张 琦.某超高层结构设计[J].四川建材,2011,1(37): 32-33.

[13] 沈章春,王全凤.基于性能设计理论与使用方法[J].四川建筑科学研究,2008,34(3)：136-140.

Effects of Floor Height and Wall Thickness on Quantity of Shear Walls in Tall Buildings

ZHANG Chao, CHEN Rui-lin, DAI Ke-yi, HU Di

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Based on the calculation and analysis of engineering examples by finite element structural software SATWE, the effects of wall thickness and floor height in tall shear walls structure on quantity of shear walls are studied, and some reference suggestions are obtained. Taking the storey height and wall thickness on the structure into account, the paper quantitatively analyzes the relationship between stiffness of shear wall and parameters variation and the change rules of mechanical characteristics such as the ratio of rigidity-to-gravity, earthquake shear force. At the same time, the law of the change between adjustment layer number of shear wall thickness and the law under the condition of guaranteeing structure down to the condition of invariable interlayer displacement angle are also analyzed.

shear walls structure; floor height; wall thickness; the ratio of stiffness to weigh

2016-11-07

教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20104301120004)；教育部科学技术重点项目(211127)；湖南省教育厅优秀青年项目(10B105)；第49批中国博士后科学研究基金(20110491260)；湖南省优秀博士论文奖励专项基金(YB2011B031).

张 超(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：道路与桥梁工程.

陈锐林(1971-)，男，副教授，研究方向：桥梁结构设计理论和车桥耦合振动，风车桥系统动力学及其应用.

U445

A

1671-119X(2017)02-0084-04