基于构件变形的剪力墙结构抗震性能研究

2023-12-21王健凡闽西职业技术学院福建龙岩364021

砖瓦 2023年12期

王健凡（闽西职业技术学院，福建龙岩 364021）

剪力墙结构作为高层建筑的主要抗震构件，通过墙体的抗剪承载能力来吸收地震力，同时在地震作用下受到水平和竖向荷载的共同作用，剪力墙结构容易发生构件的变形和损伤，其抗震性能的优劣直接关系到建筑的安全性[1]。传统的剪力墙结构设计方法使得构件在大震作用下存在一些不足，如墙体开裂、悬臂梁形成等，为了提高剪力墙结构的抗震能力，研究基于构件变形的剪力墙成为一个重要的课题[2]。

曹志伟等人[3]研究了装配式剪力墙结构中，竖向分布钢筋不连接时剪力墙极限位移计算方法，并运用抗震试验验证了计算方法的可靠性；徐丽丽等人[3]针对剪力墙高层住宅，研究了不同设计阶段的抗震变形控制方法，研究成果已成功应用于某著名地产品牌开发商的高品质住宅项目；王福明等人[4]研究了RC 剪力墙的延性抗震设计方法，并考虑了轴压比和剪跨比的影响，理论分析指出基于提出的简化延性抗震设计方法可以为抗震构造措施的确定提供依据。

依托福建省龙岩市某高层框架式剪力墙结构住宅楼项目，本文深入研究构件变形对剪力墙结构抗震性能的影响机理，运用数值模拟手段分析剪力墙在不同地震抗震设防和不同地震波输入条件下的层间位移角变化特征，以研究以变形控制的剪力墙结构抗震性能，研究成果对提高剪力墙结构的抗震设计水平和保障建筑安全具有重要意义，有助于提高建筑结构的抗震性能，降低地震带来的损失，也可为相关规范和标准的修订提供依据，为剪力墙结构的抗震设计提供理论支持和实践指导。

1 工程概况

福建省龙岩市某高层框架式剪力墙结构住宅楼项目拟建10 个单体居民楼建筑，工程类别为民用一类高层建筑，总建筑面积约15 万m2，设地下室1 层，地下室建筑面积为24150m2，其中人防面积为4630m2，地上建筑为钢筋混凝土框架剪力墙结构，地上结构层数均为31层，楼层高度为93.8m，其中首层高度为3.8m，其余楼层高度为3.0m，标准层的结构平面大致呈“十字形”，长度方向为35.3m，宽度方向为31.7m，标准差结构平面布置如图1所示。结构框支柱采用普通钢筋混凝土结构，框支柱的截面尺寸为200mm×200mm、230mm×230mm，混凝土等级为C50，剪力墙厚度为300mm，剪力墙混凝土等级为C40，连梁宽度与剪力墙厚度一致，连梁高度为400mm，连梁混凝土等级为C40。

图1 某高层框架式剪力墙结构住宅楼标准层平面布置

2 剪力墙结构抗震分析计算

2.1 剪力墙结构抗震计算方法的确定

基于构件变形的剪力墙结构抗震性能计算方法主要有四种，分别是弹性分析法、弹塑性分析法、能量法和有限元法。其中，弹性分析法假定剪力墙结构处于弹性阶段，通过分析构件的应力和变形来计算结构的抗震性能，这种方法比较简单，适用于结构在地震作用下的弹性响应分析[5]；弹塑性分析考虑到剪力墙结构的非线性性能，通过分析构件的弹塑性变形和损伤来计算结构的抗震性能，这种方法能够更准确地反映结构在地震作用下的响应，但需要采用更为复杂的计算方法；能量法通过分析结构在地震作用下的能量吸收和耗散来计算结构的抗震性能，这种方法能够考虑到结构的损伤和破坏过程，但需要对能量的计算和分析方法进行合理的处理[6]；有限元法将剪力墙结构划分为多个单元，利用有限元软件进行数值模拟计算，这种方法可以充分考虑剪力墙结构的非线性性能和构件之间的相互作用，能够得到较为全面的抗震性能评估结果，但需要注意的是，有限元模型的建立和参数的选取对于计算结果的准确性具有较大的影响，需要进行仔细的分析和验证。

2.2 剪力墙结构抗震计算参数的确定

剪力墙结构抗震计算时，抗震设防烈度设为两种工况，分别为7度（0.10g）和8度（0.20g），结构施加的基本风压荷载统一取为0.35kN/m2；卫生间活荷载取为1.5kPa，附加恒载取为1.5kPa；客厅、卧室和厨房的活荷载取为2.0kPa，附加恒载取为1.5kPa；阳台活荷载取为2.5kPa，附加恒载取为1.5kPa；消防楼梯活荷载取为3.5kPa，附加恒载取为1.5kPa；电梯、前室、走廊活荷载取为3.5kPa，附加恒载取为1.5kPa；车库活荷载取为4.0kPa，附加恒载取为2.5kPa；屋面活荷载取为2.0kPa，附加恒载取为3.5kPa。7度和8度抗震条件剪力墙轴压比限值均为0.6，剪力墙底部加强区轴压比限值均为0.5；7度设防结构模型最大弹性层间位移角限制为1/800，8度设防结构模型最大弹性层间位移角限值为1/500。

2.3 剪力墙结构抗震计算地震波的确定

剪力墙结构抗震计算地震波的选定，需考虑地震波的持续时间、地震波频谱特性和地震波的峰值调整等。一般而言，地震波的有效持续时间长度应为结构基本周期的5～10 倍，单条波计算的基底剪力与规范反应谱计算的基底剪力误差应在±35%内，几条地震波计算的基底剪力平均值与规范反应谱计算的基底剪力误差应在±20%内[7-8]。研究采用5 条地震波进行结构的时程计算，分别是Osaka地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波、Northridge 地震波和汶川地震波。对5 条地震波的计算，计算结果与振型分解反应谱法（CQC 法）进行对比，结果如表1 所示。从表1 中可以看出，与振型分解反应谱法（CQC 法）相比，单条地震波时程分析计算得到的基地剪力误差小于±35%，多条地震波时程分析计算得到的基地剪力平均值误差小于±20%。

表1 不同地震波的基地剪力计算结果对比

3 基构件变形的剪力墙结构抗震性能分析

图2 为7 度抗震设防不同地震波输入条件下剪力墙结构的X 向层间位移角变化曲线。从图2 中可以看出，5 条地震波输入条件下，剪力墙结构的X 向层间位移角变化规律较为相近，层间位移角均随着楼层的增加整体呈现先增加后减小的非线性变化趋势，且在局部楼层出现小幅度的波动，最大层间位移角位于楼层的中部，约9 层～11 层位置，顶层的层间位移角大于底层的层间位移角，因此在抗震设防时，楼层中部为潜在的结构薄弱层，需要保证在薄弱层出现正截面屈服时，构件的变形能够满足限制要求即可满足结构的抗震要求；Osaka地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波输入条件下，得到的X向层间位移角较为接近，而在Northridge地震波输入条件下，X 向层间位移角有所增加，但增加幅度较小，X 向最大层级位移角接近于0.01，汶川地震波输入条件下，X向层间位移角相比于前4中地震波形得到大幅度增加，结构5层～21层的X向层间位移角大于0.01，最大层间位移角达到0.02，由此可以看出汶川地震波的破坏强度巨大，在剪力墙结构的抗震设计时，选择合适的地震波波形显得尤其重要。

图2 不同地震波剪力墙结构X向层间位移角（7度）

图3 为7 度抗震设防不同地震波输入条件下剪力墙结构的Y 向层间位移角变化曲线。从图3 中可以看出，5 条地震波输入条件下，剪力墙结构的Y 向层间位移角变化与X 向层间位移角的变化规律基本一致，均表现为先增加后减小的非线性变化趋势，汶川地震输入条件下得到的Y 向层间位移角最大，Northridge 地震波得到的Y 向层间位移角次之，Osaka 地震波、EL Centrol地震波、Taft地震波输入条件下得到的Y向层间位移角最小且相近。

图3 不同地震波剪力墙结构Y向层间位移角（7度）

图4 为8 度抗震设防不同地震波输入条件下剪力墙结构的X向层间位移角变化曲线，图5为8度抗震设防不同地震波输入条件下剪力墙结构的Y向层间位移角变化曲线。从图4 和图5 中可以看出，8 度抗震设防时，不同地震波输入条件下得到的X向和Y向层间位移角与7 度抗震设防时得到的X 向和Y 向层间位移角具有相似的变化特征，但也存在一定程度的差异，即层间位移角曲线随着楼层的增加，在局部楼层呈现更为明显的波动，5条地震波输入条件下得到的最大层间位移角均比7度抗震设防大。