高层框架剪力墙结构抗震性能分析

党 亮,曲浩然

(1.中交第四公路工程局有限公司,北京100022；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,武汉430070)

随着现代社会经济科技的发展以及施工技术的提高,为了解决我国人口数量众多与土地资源紧缺之间的矛盾,现代房屋的高度不断增加。框架剪力墙结构通过在框架结构中布置一定数量的剪力墙,弥补了高度增加后高层结构刚度下降的缺陷,在一定程度上提高了整体结构的抗震性能。

考虑抗震性能的现浇钢筋混凝土房屋的结构类型主要包含框架-剪力墙结构、剪力墙结构、框架核心筒结构和筒中筒结构。傅学怡[1]从框架和剪力墙结构协同工作的基本微分方程入手,研究了基础刚度对框架-剪力墙结构侧移刚度、最大层间位移以及内力分布的影响规律,完善了高层建筑抗震设计。朱爱萍[2]选择4个不同平面布置形式的多层剪力墙结构,并按照现行规范对其进行抗震设计,同时减少了墙体的构造钢筋量,证明了高烈度区多层剪力墙结构设计可以采用比现行规范规定偏低构造配筋的可能。李梦珂[3]综合对比了中美抗震设计规范体系的总体效果,采用中国规范对美国典型高层钢筋混凝土框架-核心筒结构案例进行了对比设计研究,为我国高层建筑抗震框架-核心筒结构设计提供参考。杜涛[4]通过对某超高层结构进行工程结构选型、抗震性能目标设计及主要结果分析,详细介绍了采用带加强层的矩形钢管混凝土柱外筒-钢筋混凝土内筒的筒中筒混合结构体系的性能,为超高层结构设计提供一定的理论参考。选取高层中最常用的框架剪力墙抗震体系,分析在不同方向地震波作用下剪力墙按不同形式分布的结构抗震性能,为工程中剪力墙布置原则提供一定参考依据。

目前我国普遍采用的单体建筑抗震性能的评估方法主要包含静力弹塑性分析法、时程分析法和增量动力分析法。季静[6]针对某带转换层部分框支剪力墙钢筋混凝土结构进行静力弹塑性分析,得到结构及各个构件的反应量的统计特征,并研究考虑不同结构设计及构造因素对不同抗震烈度区的框支剪力墙结构的可靠性的影响。刘金林[7]基于SAP2000,针对某一框架结构采用不同抗震分析方法进行抗震性能评估,得出时程分析法具有准确性高、适用性强等优点。朱汉波[8]基于建筑物抗震性能全概率的评估思路,采用增量动力分析法对某框架剪力墙结构进行地震易损性分析,为在我国进一步开展基于全概率理论的建筑物抗震性能评估方法提供参考。

1 模型建立

考虑到实际高层框架剪力墙结构空间布置的灵活性,以某高层建筑物的简化模型作为研究对象,相关参数设置如下:结构形式为框架剪力墙结构,位于抗震设防烈度为8度的地区,场地类型为Ⅲ类。工程共24层,均位于地平面以上。平面形状为矩形,1～3层层高为4.5 m,其它各层层高均为3.3 m。柱截面尺寸取500 mm×500 mm,梁截面宽度取300 mm,高度取600 mm,剪力墙厚度取300 mm,楼板厚度取150 mm。整体模型采用同种混凝土材料,弹性模量取3.0×104MPa；泊松比取0.2,材料密度取2 500 kg/m3。

采用ANSYS整体式有限元方法进行建模,三维模型如图1所示。梁、柱单元采用BEAM188单元,剪力墙、楼板采用SHELL181单元,将楼板均向上偏移0.3 m 使楼面板顶部与梁顶面持平。结构底部施加全部约束,与地面采取固结的形式。

建立三个计算模型,剪力墙布置形式如图2所示,其中剪力墙布置形式3所布剪力墙数目最多,且在纵向及横向均有布置,剪力墙布置形式1与2数量相同,但布置形式2仅布置沿纵向分布的剪力墙。

2 模态分析

为验证所建立的ANSYS计算模型的正确性,对3种布置位置下结构的自振频率进行对比分析,结果如表1所示。

从表1中布置位置1和2的自振频率对比可以看出,剪力墙分布位置的不同会很大程度的影响到结构的自振频率。采用分布位置1所示布置剪力墙,结构的自振频率除了2,3阶外,均大于剪力墙分布形式为2的情况。由于第二阶振型是沿着z轴方向(楼层高度方向为y 轴,沿纵向为x 轴,沿横向为z轴)所以分布位置为2的情况下z轴向的侧移刚度以及扭转变形均大于分布位置1的情况。按布置位置3分布的框架剪力墙结构自振频率最大,说明随着剪力墙数量的增加,结构的抗侧刚度相应增加,会极大影响到结构的振动频率。

表1 不同剪力墙布置位置下结构自振频率

3 基于弹性的框架剪力墙结构抗震性能分析

在对结构进行弹性时程分析时拟采用el-centro波,由于结构基本设防烈度为8度,根据《建筑抗震设计》将地震加速度峰值换算成0.7 m/s2。利用ANSYS进行弹性时程分析,荷载步时间步取0.02 s一次,得到20 s内结构在图2中3种不同形式剪力墙布置下的各层位移。输入沿x 方向作用的el-centro波,即输入纵向地震波时,通过反应谱分析,得到底部5层和顶部5层的各层间位移如表2所示。

表2 3种剪力墙布置形式下各层位移(x方向)

通过表2可以看出随层数增高层间位移基本呈现增大趋势,底部5层的层间位移变化幅度大于顶部5 层。为了更直观地体现各层位移变化趋势,现绘制各层间位移角点线图如图3所示。

从图3中可以看出,当地震波沿x 方向作用时,各层间位移角随层数的增高逐渐增大,但增加趋势趋于平缓,符合框架-剪力墙变形特点,呈弯剪型变形。在三种布置形式下,剪力墙按2位置布置的位移最大,其次是位置1,最小是位置3,造成这种结果的原因是由于在2位置布置形式下仅有沿横向分布的剪力墙,在沿x方向的地震波作用下其抗变形性能要小于存在纵向剪力墙的布置形式。随着楼层数的逐渐增加,可看出按照位置3布置剪力墙结构抗侧刚度较大,层间位移明显小于按位置1和位置2布置,因此对于高层结构来说,适当增加剪力墙的数量可以有效提升结构在地震作用下的抵抗变形能力。

输入沿z方向作用的el-centro波,即输入横向地震波时,通过反应谱分析,得到底部5层和顶部5层的各层间位移如表3所示。

表3 3种剪力墙布置位置下各层间位移(z方向)

当地震波沿z轴作用时,各层间位移角表示为图4。

由图4可以看出,当地震波沿z 方向作用时,随着楼层数的增加,布置位置1的位移大于布置位置2,是由于在布置位置2中沿横向布置的剪力墙数目大于布置位置1,横向抗侧刚度较大。而布置位置2与布置位置3,横向抗侧刚度较强,其层间位移发展趋势基本一致,说明在空间分布较为规则且分区较少的结构中,沿与地震波垂直方向增加剪力墙的布置数量后结构抗震性能会得到极大的提高。

4 结 论

通过ANSYS建立框架剪力墙高层建筑结构的有限元模型,并对结构进行了模态分析和在地震波作用下的静力时程分析。比较不同方向下的地震作用对不同分布形式的剪力墙的层间位移的影响,可得到以下结论:

a.层间位移角随着层数提高而逐渐增大,但增加趋势逐渐减缓,符合框架剪力墙结构弯剪型变形的特点。

b.当纵向地震波作用于结构时,剪力墙布置形式2的结构产生的层位移最大,形式1较形式3稍大。当横向地震波作用于结构时,剪力墙布置形式1的结构产生的层位移最大,形式2居中,形式3最小。可以看出,地震作用的方向不同,不同形式的剪力墙布置的抗震性能各有优势,相比较而言,剪力墙布置形式3综合了形式1和形式2的优势,在抗震性能上都优于前两者。

c.剪力墙数量增多可以显著提高结构抗震性能,综合考虑按方式1 L 型布置剪力墙要比方式2沿单一方向布置剪力墙有更好的抗变形性能力。