外填充墙对高层住宅剪力墙结构受力性能影响分析*

王廷彦， 高宇甲， 霍继炜， 赵顺波， 陈贡联

(1 华北水利水电大学土木与交通学院， 郑州 450045； 2 中建七局第四建筑有限公司， 西安 710016)

0 引言

剪力墙结构是高层建筑中最常用的一种抗侧力结构体系。剪力墙结构侧向刚度大、侧向变形小，墙面及天花板平整，特别适用于高层住宅、公寓、宾馆等建筑[1-2]。

目前，我国大部分高层住宅剪力墙结构外墙通常是由钢筋混凝土结构墙和轻质砌块填充墙共同构成，这种组合外墙存在一些不足，尤其在冬季或夏季气温差别比较大时，产生墙体渗透及开裂的危险性较高[3-6]。随着铝合金模板体系下全现浇混凝土外墙施工技术的快速发展，建筑工程施工工艺随之创新发展，干作业、免抹灰等先进工艺技术已成为解决墙体渗透与开裂问题的有效途径。近年来，一大批高层与超高层建筑施工引入了干作业、免抹灰等先进工艺技术，取得了较为理想的施工效果和经济效益[7-9]。

本文以某工程实例为研究对象，研究外填充墙受力方式和材料变化对剪力墙结构受力性能的影响规律，提出相应的工程建议。

1 工程概况与整体结构建模

某高层住宅楼为剪力墙结构，结构高度75.4m，建筑平面总长度34.0m，总宽度16.30m，高宽比4.63，地下2层，地上26层。抗震设防烈度为7度，设计地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s。基本风压为0.45kN/mm2，地面粗糙度为B类。结构抗震设防类别为丙类，地下2层的抗震构造措施等级为三级，其他各层抗震构造措施等级为二级。

采用PKPM软件建立本项目外围加气混凝土砌体填充墙结构的整体模型，称为模型0(简称原结构)。模型0标准层剪力墙结构平面布置如图1所示，图中外墙上画圈位置布置的是加气混凝土砌体填充墙，其余外墙均为钢筋混凝土结构墙体，结构整体模型如图2所示。

不改变原结构构件的平面布置，将原结构模型0的外围加气混凝土砌体填充墙全部改为现浇钢筋混凝土剪力墙，改变外填充墙的受力方式，重新建立PKPM分析模型，称为模型1。将原结构的外围加气混凝土砌体填充墙材料改为现浇轻骨料混凝土填充墙，改变外填充墙的材料，重新建立PKPM分析模型，称为模型2。

图1 剪力墙结构平面布置

图2 剪力墙结构整体模型

按照《建筑结构荷 载规范》(GB 50009—2012)[10]规定，对3个模型在竖向荷载、风荷载和地震作用下内力进行分析计算，然后对不同工况荷载效应进行组合。计算整体结构质量比、刚度比、受剪承载力比、周期比、剪重比、位移比和层间位移角，以及局部构件剪压比、轴压比、剪扭比、配筋率、局部稳定性等指标。按照规范规定和要求对3个模型承载力、位移、舒适度和整体稳定性等进行分析和评价。

2 计算结果分析

2.1 整体性能分析

各模型各楼层质量比分布曲线见图3。由图可知3个模型楼层质量比值都不超过1.5，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[11](简称高规)关于楼层质量沿高度宜均匀分布、楼层质量不宜大于相邻下部楼层质量的1.5倍的规定。

各模型各楼层X向剪切刚度比见图4。由图可知，模型0和模型2底层剪切刚度比为0.4，模型1为0.49，均满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[12](简称抗震规范)规定，即当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，应符合结构地上一层的剪切刚度不宜大于相关范围地下一层剪切刚度的0.5倍。因此，底层嵌固部位设置是合理的。

X向和Y向楼层侧向刚度比γ1见图5,6。由图可知，X向和Y向的楼层侧向刚度比γ1均大于1，满足高规关于该层侧向刚度不宜小于相邻上一层的70%或不宜小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%的规定。

X向和Y向考虑层高修正的楼层侧向刚度比γ2见图7,8。由图可知，X向和Y向考虑层高修正的楼层侧向刚度比γ2均大于0.9，满足高规关于本层与相邻上一层的比值不宜小于0.9的规定。因此，3个模型竖向布置均规则，侧向刚度比满足要求，不存在软弱层。

楼层受剪承载力比可以判定结构是否存在薄弱层，楼层X向和Y向受剪承载力比见图9，10。由图可知，各模型的受剪承载力比均大于0.8，满足高规关于A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%的规定。因此，结构不存在薄弱层。

图3 质量比分布曲线

图4 X向剪切刚度比

图5 X向侧向刚度比γ1

图6 Y向侧向刚度比γ1

图7 X向侧向刚度比γ2

图8 Y向侧向刚度比γ2

图9 X向受剪承载力比

图10 Y向受剪承载力比

图11 X向地震作用下结构剪重比

表1对比了3个模型的前3阶振型的振动周期和振动方向。模型0和模型2的基本周期相差不大，均在2.0s左右。模型1的基本周期约为1.7s，说明模型1的结构整体刚度最大。模型0和2的第1振型均为X向平动，模型1的第1振型为Y向平动，说明模型1在X向增加的剪力墙刚度较大，改变了原结构的弱轴方向(第1振型的振动方向)。3个模型的第1振型均未出现扭转振型，结构的刚度布置合理。模型0、模型1、模型2的Tt/T1比值依次为0.67，0.50和0.67，均满足高规关于结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比，A级高度高层建筑不应大于0.9的规定。

结构周期及振型方向 表1

X向和Y向地震作用下，各模型结构的剪重比见图11和图12。由图可知，3个模型3层以上(地下室顶板以上)的剪重比值均大于0.024，满足抗震规范关于楼层最小地震剪力系数在7度0.15g时不小于0.024的规定。因此均不需要对剪重比进行调整。

各模型X向和Y向位移比和层间位移比见图13～16。由图可知，X向地震作用下模型0与模型2的最大位移比均为1.12，最大层间位移比均为1.20，模型1的最大位移比和最大层间位移比为1.22和1.30，模型2的最大位移比和最大层间位移比与模型0的值相同。Y向地震作用下模型0和模型2的最大位移比和最大层间位移比相同，均为1.17和1.18，模型1的最大位移比和最大层间位移比分别为1.12，1.13。各模型均满足高规中结构平面布置应减少扭转的影响，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍的规定。

图12 Y向地震作用下结构剪重比

图13 X向地震作用下位移比

图14 X向地震作用下层间位移比

图15 Y向地震作用下位移比

图16 Y向地震作用下层间位移比

图17 X向地震作用下最大层间位移角

图18 Y向地震作用下最大层间位移角

图19 X向风荷载作用下最大层间位移角

图20 Y向风荷载作用下最大层间位移角

X向和Y向地震作用下各模型的最大层间位移角见图17和图18，X向和Y向风荷载作用下各模型的层间位移角见图19和图20。由图可知，模型0、模型1和模型2的最大层间位移角分别为1/1 012，1/1 150，1/1 001，均不大于1/1 000，满足高规规定。

3个模型的抗倾覆安全系数最小值为11.09，且均无基础零应力区，均满足高规对于高宽比大于4的高层建筑，抗倾覆安全系数大于等于3，基底不出现零应力区的规定。

模型0、模型1、模型2在X向和Y向刚重比验算值见表2。由表2可知，3个模型的最小刚重比分别为5.09，7.01，5.01，均大于2.7，满足高规规定，可以不考虑重力二阶效应。模型0、模型1、模型2在X向和Y向的最小刚重比也均大于1.4，满足高规规定的整体稳定性的要求。

刚重比验算 表2

2.2 局部构件性能分析

对3个模型的结构构件(竖向和水平)的剪压比超限、轴压比超限和局部稳定验算超限的统计见表3。可以看出，模型0和模型2的剪压比、轴压比超限数量较少，且不存在局部稳定验算超限的情况。模型2轴压比超限数量共有9处，模型0的轴压比超限数量2处。模型0和模型2的剪压比超限数量相当。

模型1的剪压比、轴压比超限数量较多，且存在局部稳定验算超规范限值的情况，在1，2，3，4层的局部稳定验算超限数量分别是5，2，2，1。剪压比超限数量多的原因是：外围填充墙改为剪力墙后，增大了整个剪力墙结构刚度，地震作用下的地震剪力也增大，易导致剪压比超限。例如，X向地震作用下模型0的底部剪力值5 654.24 kN，模型1的底部剪力值6 686.75 kN，模型1比模型0增加18.26 %。此外，模型1外围部分填充墙改为短肢剪力墙，其剪力值调整系数增大导致剪力值增大，也易出现剪压比超限的情况。轴压比超限的原因是外围改增了4片一字形短肢剪力墙。按照高规规定：一字形短肢剪力墙的轴压比限值为0.4，其他墙体的轴压比限值为0.6。因此一字形短肢剪力墙轴压比限值严格，所以更易出现轴压比超限。局部稳定验算超限的原因是：改增的一字形短肢剪力墙，平面外无约束，且在平面外设置与之相交的单侧楼面梁，进一步加大了其平面外失稳的可能性。

3 结论

(1)外围加气混凝土砌体填充墙改为钢筋混凝土剪力墙，增加了剪力墙的数量，增大了原结构的整体刚度，减小了原结构的侧移。新增的外剪力墙造成原结构刚度中心偏移，使其刚度中心与质量中心距离加大，加大了地震作用下结构的扭转效应。同时，因改增的填充墙主要在X向，使原结构的第1振型由Y向振动变为X向振动，改变了原结构第1振型的振动方向。由于增加的剪力墙占原结构剪力墙的比例为8.5%，增加比例相对较少，对结构整体性能影响相对较小，结构整体受力性能指标仍满足规范要求。但是，因改增的剪力墙多为一字形短肢剪力墙，致使结构中剪压比、轴压比及局部稳定验算超限的剪力墙数量增多。

(2)建议设置全现浇外墙剪力墙结构时，应尽量保持原结构的刚度中心不偏离质量中心，避免设置一字形短肢剪力墙，以及与一字形短肢剪力墙平面外相交的单侧楼面梁，还应尽量减少短肢剪力墙的数量。

(3)外围轻质砌体填充墙改为轻骨料混凝土填充墙对原结构受力性能影响较小，但应注意加强轴压比增大的局部构件构造措施。总体上，仅改变外填充墙的材料，是一种较好的外填充墙整改方案。