大长宽比筒中筒结构中布置剪力墙对结构受力性能的影响

靳 泰

(山西建工设计院，山西 太原 030027)



大长宽比筒中筒结构中布置剪力墙对结构受力性能的影响

靳 泰

(山西建工设计院，山西 太原 030027)

采用MIDAS GEN有限元软件，建立了计算三个大长宽比的筒中筒结构模型，分析了剪力墙的布置和数量对大长宽比筒中筒结构的层间位移角、剪力滞后效应和扭转效应等受力性能的影响，并得出了相应的结论。

剪力墙，筒中筒，层间位移角，扭转效应

随着我国社会经济的不断发展和城市土地资源的日趋紧张，平面狭长的地块越来越多，大长宽比的建筑物也随处可见，这就给结构设计师们带来很大的挑战。如何满足长宽比较大时结构的各项受力性能指标，是设计师们需要着手解决的问题。

土地资源的限制迫使建筑向更高的高度发展，筒体结构成为高层、超高层建筑的首选，筒中筒结构在其中占据着举足轻重的地位。对于长宽比较大的筒中筒结构，其在Y方向上的抗侧刚度天生较弱，如何满足结构在小震下的层间位移角是一个设计难点。增强结构抗侧刚度的方法有很多，包括增加构件截面、设置刚性层、布置屈曲约束支撑等。布置剪力墙也是增加结构抗侧刚度效果较为明显的一种方法。由于剪力墙的布置主要目的是为了减小结构的Y向层间位移角，对结构体系影响较小，因此可认为结构体系仍然是筒中筒结构体系。分析长宽比较大的筒中筒结构剪力墙布置对结构受力性能的影响，是本文的主要研究内容。

1 计算模型

本文采用MIDAS GEN有限元分析软件建立长宽比为3的三个筒中筒结构模型进行计算。模型主要设计参数见表1。

表1 模型主要设计参数

1号模型为初始模型，结构平面长86.4 m，宽28.8 m，长宽比是3。外框筒边柱截面为1 300 mm×600 mm，角柱截面是∟1 300 mm×1 300 mm×600 mm×600 mm，使用任意截面进行定义，Asy=Asz=1 m2，Ixx=0.144 m4，Iyy=Izz=0.155 893 m4，窗裙梁截面是400 mm×1 000 mm，开洞率小于0.6，满足规范要求。核心筒外墙厚度为600 mm，内墙厚度是350 mm，洞口尺寸是1 200 mm×2 300 mm，楼面梁高度分别为800 mm和700 mm，楼板厚度是130 mm。

2号和3号模型在1号模型的基础上布置了剪力墙，2号模型是4道，3号模型是8道。剪力墙截面长度是7 000 mm，截面厚度是350 mm。

各模型层结构图见图1。

2 层间位移角计算结果

经过计算，各模型小震下的层间位移角数值如表2所示。

表2 层间位移角

从表2中数据可以看出，模型在布置了剪力墙之后，Y方向的层间位移角迅速减小，且剪力墙布置的数量越多，层间位移角减小的越多。对于长宽比较大的结构，布置剪力墙对于提高结构的抗侧刚度效果非常明显。当平面布置条件允许时，布置剪力墙可以成为解决长宽比较大的筒中筒结构一个方向抗侧刚度较弱问题的方法，但这并不是说剪力墙布置的越多越好。剪力墙布置太多，一是影响建筑使用功能的正常发挥，二是过多的剪力墙影响结构体系的判定，筒中筒结构变成框架—剪力墙结构，尤其是在一些超限结构设计中会变得尤为复杂。

3 对剪力滞后效应的影响

高层建筑中，轴力在角柱较大，到了中部，柱子的轴力逐渐减小，这就是剪力滞后效应。筒中筒结构由于其密柱深梁的布置形式，其刚度特别大，剪力滞后效应也要比其他类型的结构体系要明显。剪力滞后效应是由于翼缘框架中梁的剪切变形和梁柱的弯曲变形造成的[1]，由于剪力滞后效应,降低了结构的刚度，削弱了结构的整体空间工作性能，也浪费了材料。

根据剪力滞后效应的概念，定义“剪力滞后值”为量化剪力滞后效应的参数，其计算公式如下：

各模型计算的剪力滞后值如表3所示。

表3 剪力滞后值

从表3中数据可以看出，1号模型的剪力滞后值最大，说明剪力滞后效应最明显；2号模型布置了4道剪力墙，剪力滞后值变小了；3号模型布置了8道剪力墙，剪力滞后效应变得更小了，说明布置了剪力墙后，将核心筒和外柱连接了起来，迫使中柱能够更加充分地参加结构的整体弯曲变形，使得翼缘框架各柱的变形变得更加均匀，筒中筒结构的整体工作性能获得了增强。从减小剪力滞后效应的效果来看，将剪力墙布置在结构平面中部效果更好，这是因为中柱的轴力更小，剪力墙布置在中部更能发挥中柱的材料性能，但这样布置对于减小结构的扭转效应不利。

4 对扭转效应的影响

《高规》对于筒中筒结构的长宽比做出了明确规定：矩形平面的长宽比不宜大于2[2]。规范作出这样的规定，是为了防止由于结构平面过于狭长导致结构的扭转效应过大，从而引起结构的剪切脆性破坏。3个模型中剪力墙的布置也考虑了这方面的问题，通过将剪力墙布置在结构平面的两侧，增强了周边构件的刚度，使质心与刚心尽量重合，减小偏心率，进而减小结构的扭转效应。

结构扭转效应的量化指标主要是周期比和位移比。周期比是结构第一扭转振型周期与第一平动振型周期的比值，侧重反映结构抗侧刚度和抗扭刚度的关系。位移比是结构竖向构件的水平最大位移与楼层平均位移的比值，是考察结构实际扭转大小的量值。3个模型的周期比和位移比如表4所示。

表4 周期比与位移比

从表4中数据可以看出，随着剪力墙的布置，模型的周期比逐渐增加，模型的位移比却出现下降的趋势。说明布置了剪力墙后，结构的抗扭刚度和抗侧刚度都得到了加强，但是抗扭刚度加强的幅度要小于抗侧刚度加强的幅度，导致平动周期的减小程度大于扭转周期的减小程度，使得周期比变大；但由于布置剪力墙加强了结构周边构件的刚度，限制了扭转位移，减小了偏心率，结构的位移比反而减小了。因此设计师在实际工程设计中如采用布置剪力墙来增加结构的抗侧刚度，需注意周期比与位移比的变化，同时，也要限制剪力墙布置的数量，不能布置太多。

5 结语

通过以上3个有限元模型的计算，不难看出布置剪力墙对于增加大长宽比筒中筒结构Y方向抗侧刚度的有效性，但是需要注意的是剪力墙的布置不能影响建筑的正常使用功能。结构中布置了剪力墙后，减小了结构的剪力滞后效应，但将剪力墙布置在结构平面的两侧对于剪力滞后效应的减小效果不大。同时，剪力墙的布置增大了周期比，减小了位移比，设计人员在设计中需要考虑这方面的影响，避免过多的布置剪力墙。

[1] 清华大学，同济大学，天津大学.混凝土结构与砌体结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2012.

[2] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

The mechanics performance analysis of tube-in-tube structure of large length-width ratio by arrangement of shear walls

Jin Tai

(ShanxiConstructionEngineeringDesignInstitute,Taiyuan030027,China)

In this article, three structure models of tube-in-tube structure of large length-width ratio are built by the finite element software MIDAS GEN. The mechanics performance influence from the arrangement and amount of shear walls to tube-in-tube structure of large length-width ratio is analyzed, including story drift angle， shear lag effect， torsional effect etc. And corresponding conclusions are drew.

shear wall, tube-in-tube structure, story drift angle， torsional effect

1009-6825(2017)17-0051-03

2017-03-15

靳 泰(1983- )，男，硕士，助理工程师

TU375

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