抗震概念设计在框架剪力墙结构体系中的应用

黄小燕，赵 菲，陈超核

（海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228）

抗震概念设计在框架剪力墙结构体系中的应用

黄小燕，赵 菲，陈超核

（海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228）

阐述了高层建筑结构抗震设计中“概念设计”的重要性及其基本原则，并通过有设防烈度地区的高层框架剪力墙结构工程实例，阐明了概念设计在工程结构设计中的应用.

高层建筑结构;概念设计;基本原则;框架剪力墙结构;结构设计

地震作用是一种随机性比较强的往复循环荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，存在着太多不确定因素和模糊情况，特别是在结构内力分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、材料时效、非弹性性质、阻尼变化等多种因素以及计算方法还不完善，在当前的科学技术发展水平和经济条件下，要准确计算或预测建筑物所遭遇的地震的特性和参数，目前还很难做到.人们在总结历次大地震灾害的经验后，逐渐认识到宏观的“概念设计”比以往的“数值设计”更为重要.因此，概念设计越来越受到人们的重视.

1 结构概念设计的内容和基本原则

1.1 概念设计 所谓“概念设计”是指人们运用对建筑结构体系的正确认识以及运用工程、力学概念来妥善处理结构设计中遇到的各种问题［1］.其宗旨是在特定的建筑空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，在初始选型设计阶段用概念近似计算方法，迅速有效地对结构体系进行构思、比较与选择.因此，这要求设计者从结构主体上了解抗震特性和振动中结构的受力特征，抓住主要矛盾，然后用正确的工程力学概念来指导建筑结构设计.

1.2 概念设计的基本原则

1.2.1 刚度适当的原则在地震作用中，如果建筑物的刚度越大，结构的自振周期就越短，所承受的地震作用就越大，建筑物的破坏程度也就相对越严重，同时还会造成建筑材料的浪费;但是建筑物的刚度过小，在风荷载和地震作用下，建筑物又会产生较大变形，从而影响其稳定性和正常使用性能.因此，在建筑结构设计中，适当地选择建筑物的刚度是非常重要的，它直接影响到建筑物的安全性、经济性和适用性.

1.2.2 结构延性设计原则在“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则下，建筑结构应设计成延性结构，亦即在地震作用下，允许部分构件出现塑性铰，这种状态是“中震可修”状态;如果能合理地控制塑性铰出现的部位，并且构件具备足够的延性时，便可做到在大震作用下结构不致倒塌，从而从概念设计中真正实现“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点强锚固”的抗震措施［2］.

1.2.3 多道抗震设防设计原则强烈地震的持续时间，少则几秒，多则十几秒，并且不同的地层构造，有可能发生多次余震.长时间的地面运动，将对建筑物产生多次往复冲击，建筑破坏逐渐累积.如果建筑物仅设置一道抗震防线，该防线一旦冲破，接踵而来的持续的震动，就会造成建筑物的倒塌.如果设置了第二甚至第三道抗震防线，就能够保证建筑物在地震作用下的安全，同时达到建筑物三水准设计要求.

1.2.4 建筑物的自振周期约束原则在较小的地震作用下，因建筑结构处于弹性工作阶段，自振周期较小并接近一个常数，在强烈的地震作用下，当结构的自振周期和场地的特征周期相等或接近时，容易产生共振效应，使得结构的地震反应很大而造成一定的破坏.因此，在抗震概念设计中，应对结构本身的自振周期加以约束，使其避开场地特征周期.

2 工程实例

2.1 工程概况 本工程建筑高度为55.1 m，地上17层，地下1层，其中地下室层高为6.5 m，地上1～14层层高3.0 m，15层3.6 m，16层3.0 m，17层1.5 m，总建筑面积10 393.8 m2.结构体系采用框架剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g.剪力墙抗震等级为2级，框架抗震等级为3级，结构安全等级为2级，地基基础设计等级为丙级，基础坐于强风化灰岩.地面粗糙程度为B类，基本风压0.65 kN·m－2.2种标准层的结构平面布置方案分别见图1和图2.由于篇幅有限，本文仅给出方案1的主要构件材料、设计信息和构件截面尺寸，方案2类同.

2.2 概念设计思想在建模中的体现

2.2.1 结构的平面和竖向布置为了减少结构的扭转效应，建筑结构的竖向和水平布置应具有合理的刚度和承载力分布.在进行结构布置时，平面形状应尽量简单、规则、对称，并尽量缩小质量中心与刚度中心的差异;竖向体型也应尽量规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，侧向刚度最好下大上小，逐渐均匀变化，避免竖向刚度发生突变.在本工程中剪力墙尽量布置在电梯间以及楼板较大洞口的两侧，并且在两个主轴方向组合布置成L形、T形或形成封闭的筒，以提高剪力墙自身的刚度（详见图2）.

2.2.2 剪力墙的最大间距、构造要求和抗侧刚度的调整本工程方案2对剪力墙的位置、长度和厚度均进行了合理的布置和调整，一般墙肢的长度为2～3.5 m，最小墙肢长度不小于5 bw（bw为剪力墙的厚度），单片剪力墙的长度最长为5.1 m，不超过8 m，由于地下室层高为6.5 m，一层以上为3.0 m，显然，如果地下室与一层的剪力墙面积相同，则一层的刚度大于地下室，因此为了使塔楼各层的刚度趋于均匀，应将各层的剪力墙厚度进行调整，即地下室挡土墙厚取300 mm，一层以上取250 mm，五层以上电梯处剪力墙为200 mm.并且为了提高结构的抗侧刚度和抗扭刚度，在建筑的拐角处取消了部分柱子，增设了剪力墙（详见图2）.

2.3 部分计算结果及其分析 结构方案的选择与总体布置，依据控制结构整体性的主要指标位移比［3］、刚度比、周期比、刚重比、剪重比、楼层间受剪承载力之比等.本工程采用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构有限元分析软件SATWE进行结构建模和分析计算，并调整方案，反复计算，直至满足规范要求.

2.3.1层间位移角的控制层间位移角（即层间最大位移与层高之比）是控制结构整体刚度和不规则性的主要指标.限制结构层间位移角的主要目的有2点:一是保证主体结构基本处于弹性受力状态，避免混凝土受力构件出现裂缝或裂缝超过规范允许的范围;二是保证填充墙和各种管线等非结构构件完好，避免产生明显的损伤.方案1和方案2的电算分析得出的楼层最大位移角见表1和表2.2种不同方案的最大位移角曲线图类似，如图3.

表1 最大楼层层间位移角（方案1）

表2 最大楼层层间位移角（方案2）

图3 不同荷载作用下的最大位移角曲线图

根据表格数据显示，方案1和方案2的不同荷载工况下的最大层间位移角均满足《高层规程》JGJ3－2002［4］要求（即地震作用下最大层间位移角限值为1/1 000，风荷载作用下限值为1/1 100），并且两者无明显的优劣之分.

2.3.2 周期比的控制扭转周期与平动周期之比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转刚度、扭转惯量分布大小的综合反应.控制结构的周期比，即控制结构的扭转变形小于结构的平动变形，其目的是使结构的平面布置更加合理、有效，不会出现过大的扭转效应.表3和表4（取前3个振型周期）分别为方案1和方案2的周期的电算结果.

表3 结构的周期（方案1）

表4 结构的周期（方案2）

经计算，表3中的T3/T1=0.744＜0.9，表4中的T3/T1=0.808＜0.9（T1和T3分别为振型号1和振型号3所对应的周期），满足《高层规程》JGJ3－2002第4.3.5条的规定.

2.3.3 刚重比和剪重比的控制《高层规程》5.4.4条的条文说明指出，“高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小.高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应（重力P－△效应）不致过大，以致引起结构的失稳倒塌.结构的刚度和重力荷载之比（刚重比）是影响重力P－△效应的主要参数.”表5和表6分别为方案1和方案2的刚重比和剪重比的电算结果.

表5 刚重比和剪重比（方案1） %

表6 刚重比和剪重比（方案2） %

表5和6中X和Y向刚重比均大于1.4，能够通过高层规程（5.4.4）式的整体稳定验算，并且都大于2.7，可以不考虑重力二阶效应.经电算分析，本工程的结构设计水平力较大，方案1和方案2的楼层剪重比（楼层剪力与其上各层重力荷载代表值之和的比值）满足大于0.024.

2.3.4 楼层间受剪承载力之比楼层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用下，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和.《高层规程》4.4.3条指出:“A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑的楼层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%”.表7和表8（选取承载力之比较大的3组数据）分别为方案1和方案2的层间受剪承载力之比，计算结果均满足规范要求.

表7 受剪承载力（方案1）

表8 受剪承载力（方案2）

2.3.5 经济评价为了与工程实际情况相符，假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比，钢筋的成本与钢筋的体积成正比.本工程中笔者仅对比墙柱梁的钢筋用量和混凝土用量.在造价上，不考虑模板及楼板等其他因素对工程造价的影响.表9为工程结构经济指标.由表9可知，方案2比方案1在混凝土造价上要节约6.5%，钢筋造价可以节约9.4%.

表9 结构经济指标

3 结 论

通过以上SATWE建模下的几项指标分析，得出方案2优于方案1，方案2充分针对高层框架剪力墙结构特点，根据结构设计的基本原理和概念，对结构的设计方案进行考察、分析、确定，以及运用工程设计概念贯穿整个设计，反复比对原设计方案并不断调整，将建筑艺术性与受力合理性有机地结合，充分考虑荷载特点、地基条件、施工方法及材料状况，从结构观点保证强度、刚度、传力途径直接简捷并满足抗震有关要求［5］.体系具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力，避免了过大的应力集中和塑性变形集中及薄弱层，处理好刚度与强度、刚度与延性、强度与延性三者的关系.

［1］魏琏，韦承基，高小旺.论建筑结构抗震设计的墓本原则［J］.建筑结构学报，1985（5）:128－131.

［2］赵积华.建筑抗震设计原理［M］.南京:河海大学出版社，2003:1－2.

［3］魏琏，王森.论高层建筑结构层间位移角限值的控制［G］∥张幼启.首届全国建筑结构技术交流会论文集.深圳:建筑结构，2006，36（增刊）:49－55.

［4］中华人民共和国建设部.JGJ3－2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［5］书鹏生，王全凤.多因素对剪力墙最优刚度影响的综合分析［J］.工程力学，1996，13（2）:61－68.

Application of Seismic Conceptual Design in the Frame-shear Wall Structure

HUANG Xiao-yan，ZHAO Fei，CHEN Chao-he

（College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China）

In the paper，the importance and basic principles of“concept design”in tall buildings of seismic design were introduced，and intensity frame-shear wall structure high-rise residential areas of engineering practices were used as examples to elucidate the application of conceptual design in engineering structure design.

tall buildings structural;conceptual design;basic principles;frame-shear wall structure;structural design

TU 973+.16

A

1004－1729（2012）01－0058－08

2011－07－26

海南省教育厅科研课题（Hjkj200723）;海南大学2009科研项目（hd09xm76）

黄小燕（1986－），女，江西宜黄人，海南大学土木建筑工程学院2009级硕士研究生.