多种结构形式住宅抗震性能对比

曹素卿

(河北联合大学建筑工程学院，河北唐山 063009)

0 引言

随着人们生活水平步入小康，对居住空间的要求有了很大的改变。人们不但要求得到尽量多的空间及提高空间利用的有效率，对居住空间的自由组织也要能表现个性化，而且在空间的舒适性、安全性、美观及经济上都提出很高的要求。这样住宅结构中就出现了异形柱框架结构新体系。这类结构将建筑美观和使用功能的灵活性有机的结合在一起，为用户提供了理想的居住环境。但是，随着楼层数的增加，异型柱纯框架结构的抗侧刚度、楼层位移便不能满足规范要求。为了将异型柱用于小高层住宅结构中(10～15层)，同时为了增大结构抗侧刚度，需要设置剪力墙。这样，便形成了异型柱框—剪结构体系。目前，钢筋混凝土异型柱框架结构体系和剪力墙结构体系缺乏震害实测资料和全面系统的抗震性能研究，需要深入研究。

1 分析方法

近几年来，国内外学者相继提出了在抗震设计中采用弹塑性静力分析方法的观点，水平地震作用下的弹塑性静力分析方法又称为推倒分析(Push－over analysis)［1］。推倒分析主要用于确定结构的非弹性效应、局部破坏机制和整体倒塌的形成方式。该方法既保证结构分析的结果具有一定的代表性，又相对简便易行，设计者能够相对主动地把握结构的抗侧能力、所需位移延性、塑性铰出现位置等。因此在实际工程中也得到了不同程度的应用。各国研究者也都在建立这种抗震设计分析方法并编制相应的计算机程序［2］。

结构推倒分析中，在每一结构构件根据其尺寸、配筋、材料性能及受力特征确定出它们的力－变形弹塑性关系之后，在结构上施加某种分布的水平力，并逐渐增加使结构构件依次进入塑性阶段。直到结构的耗能机制形成或者在耗能机制形成过程中某一塑性铰达到其临界极限状态，或结构达到给定的侧移极限时，才结束结构推倒分析全过程［3］。通过推倒分析，设计人员可以了解结构中每一构件屈服后的变形特征，考虑各构件出铰的先后次序与它们承载力之间的相互关系，以检查是否符合所期望的耗能机制，并发现第一次设计结构的薄弱部位，从而可对原有设计作调整和改进后，增加结构的抗震能力。

2 计算模型

为便于进行参数分析，本文所有的计算采用统一的结构平面，按一个结构标准层设计，即各层柱、梁截面及现浇板厚均相同，板厚为100;梁、板、柱混凝土强度等级也均相同，楼层数为八层和十一层，标准层层高3.0，标准层建筑面积540m2。本工程来自合肥某住宅小区。

3 结构分析

3.1 多层结构体系比较

该住宅结构六层，层高2.9m，总高17.4m。II类场地，8度设防，近震。混凝土标号均为C25，受力钢筋II级，设计强度310N/mm2;箍筋为I级，设计强度210N/mm2。另有普通框架一榀，其结构建筑平面、立面及层高与异形柱框架相同，柱网一致，竖向构件布置节点与异形柱框架基本一致。本工程来自合肥某住宅小区。

表1 振动周期比较

通过表1研究分析表明:(1)矩形柱结构与异型柱结构，第l～9阶振型，几乎相同。(2)异型柱在x、Y的侧向刚度均大于矩形柱。(3)分析表明，用等截面异型柱代替矩形柱后，纯框结构的第一、第二、第三振动周期都有所减小。

算例的底部剪力－顶点位移曲线如图1。从图中可以看出异形柱框架的顶点水平位移比普通框架的仅大6%，异形柱框架的底部剪力比普通框架的仅小5.7%。所以虽然两者的曲线有一定的差异，但在整体上看还是一致的。

图1 底部剪力—位移曲线

3.2 高层结构体系比较

表2 各结构体系振动周期比较

分析表明，普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构和异形柱剪力墙结构的振动周期逐渐增大 ，表明结构的抗侧刚度相应减小;降低墙肢高度减小了结构的刚度。异形柱剪力墙结构比普通剪力墙结构前三阶周期平均增大了约14.94%，比短肢剪力墙结构增大了约9.19%，而短肢剪力墙结构比普通剪力墙结构前三阶周期平均增大了约5.27%。前三阶周期在体系振动中起主要作用。

表3 各结构体系楼层地震反应力

如表3所示，在水平地震作用下，1至11层平均来说，四种结构形式之间，楼层地震反应力最大与最小之间，相差不超过10%。

普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构和异形柱剪力墙结构的最大层间剪力分别为2663.82kN、2613.67kN、2856.68kN;最大弯矩依次为67.204 kN·m、49.822 kN·m、54.666 kN·m。可以看出，普通剪力墙结构的层间剪力和弯矩最大，短肢剪力墙结构和异形柱剪力墙结构次之。由此说明降低墙肢高度可以减小地震作用，减少地震对结构的影响。

4 结论

异型柱与等截面积矩形柱纯框架结构体系抗震性能对比。异型柱取代矩形柱后，结构侧向刚度和扭转刚度明显增大，结构周期变小。异型柱框架结构的第一、第二、第三振动周期比矩形柱框架结构平均减小8.2%、6.8%和8.1%。异型柱框架结构楼层地震反应力大于对应的矩形柱框架结构。与矩形柱框架结构相比异型柱框架结构的顶点位移有所增大，但是在规范允许的范围内。

通过对异型柱框－剪、短肢剪力墙及全剪力墙结构三种结构的性能对比分析，说明在相同的条件下，短肢剪力墙更具技术经济优势。与普通剪力墙结构相比，短肢剪力墙结构最大限度的降低了结构自重，结构刚度小，所以其振动周期较长;短肢剪力墙结构的地震作用效应较小，层间剪力和弯矩小，材料充分发挥了其力学性能，结构具有较大的延性，有利于抗震，水平侧移和层间角位移大，但均满足规范要求。与异形柱剪力墙结构相比，短肢剪力墙结构刚度大，振动周期较长;水平侧移和层间角位移小，抗震性能更好，各个参数均能满足规范的要求。

［1］肖建庄等.异型柱框架结构抗震设计研究［J］.地震工程与工程振动，2002(4):15-19.

［2］A.M.Mwafy，A.S.Elnashai.Stastic push － over versus dynamic collapse analysis of RC buildings.Engineering Structures，2001(23):407-424.

［3］叶献国等.Push－over方法与循环往复加载分析的研究［J］.合肥工业大学学报，2001(12):26-28.