开洞外墙对工字型平面高层住宅剪力墙结构抗震性能的影响研究

张诗茂，段晓农，唐 能，杨竹鹃

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海口经济学院，海南 海口 571127)



开洞外墙对工字型平面高层住宅剪力墙结构抗震性能的影响研究

张诗茂1，段晓农1，唐 能2，杨竹鹃1

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海口经济学院，海南 海口 571127)

主要针对开洞外墙对工字型平面高层住宅剪力墙结构抗震性能的影响进行研究.首先，借助于结构分析软件YJK论证所选结构方案的合理性；其次，根据平面不同部位墙肢所分担的水平地震剪力比例以及结构周期比的变化规律，分析不同部位墙肢尤其是开洞外墙对结构抗震性能的影响.研究表明，开洞外墙对整体结构抗侧刚度及抗扭刚度贡献明显，而且在同等抗侧刚度条件下，应适度加大开洞外墙的横截面积以提高该类结构的抗震性能.

高层住宅楼； 剪力墙结构； 开洞外墙； 抗震性能

工字型平面塔式高层住宅楼具有通风采光良好、户型变化多样、用地节省等优点，在我国南方地区颇受欢迎，在海口市、文昌市等高抗震设防烈度地区应用也非常普遍.该类住宅楼一般由每层4～6户组成，楼电梯、竖向管道等置于结构中间部位，形成一个竖向交通中心，各住宅单元围绕此竖向交通中心布置，形成平面形状多样的建筑平面[1-2].

工字型平面高层住宅剪力墙结构因其建筑上通风采光的需要，外围剪力墙门窗洞口数量多且尺寸大，其受力特性已接近剪切变形为主的壁式框架剪力墙结构.壁式框架剪力墙结构抗震性能不同于普通剪力墙结构，张东方、杨广营等人[3]通过静力反复荷载试验对壁式框架的抗震性能进行了研究，认为只要设计得当，则抗震性能将优于普通剪力墙结构.袁康、 李英民等人[4]通过理论公式推导及静力弹塑性分析方法分析了壁式框架的抗震性能，认为壁式框架对剪力墙结构体系抗震性能带来不利影响，并指出应根据其底部承担的倾覆力矩比例分别执行局部构件加强、控制结构高度等的设计规定，将有利于结构抗震性能的充分发挥.因此，壁式框架对剪力墙结构的抗震性能影响较大，利用得当则可以充分发挥结构的抗震性能.然而，在以往的结构抗震设计中，往往不重视这类壁式框架剪力墙墙肢作为抗侧力构件的分析和设计，使得结构布置欠合理、内力分配不均匀以及结构抗震性能得不到充分发挥等现象.

因此，有必要对剪力墙结构中壁式框架对结构抗震性能影响进行进一步研究，本文选取海口市地区典型的工字型平面高层住宅剪力墙结构作为研究对象，首先在对户型进行提炼、简化的基础上，借助盈建科(YJK)结构分析软件计算分析进行方案比选，选定较合理的结构方案，然后重点研究开洞外墙对所选定工字型平面剪力墙结构模型抗震性能的影响.

1 结构方案比选

1.1 比选原则 优秀的结构设计方案应是在保障结构安全性的前提下，使材料、构件及整体结构能够最大限度的发挥其潜在能力，达到结构安全性与经济性的统一.因此，结构方案比选的原则如下：

1)结构设计合理化 对于结构工程师而言，保证结构的安全性能是首要目标.在此基础上，如何最大限度地发挥结构材料、构件的性能，使结构构件共同工作、结构布置更加合理，是结构工程师应追求的目标.在高层建筑结构抗震设计中，衡量结构抗震设计合理的重要标准是结构抗侧刚度和抗扭刚度分配均匀、合理，使整体结构不存在抗侧刚度突变、扭转效应明显以及应力集中等现象.因此，应在设计中控制结构的周期比、位移比、位移角和剪重比等重要抗震性能指标，使其低于或接近规范限值即可.结构的延性和安全储备可通过合理的构造措施保证[5].

2)资源消耗最小化 合理利用资源，提高资源利用效率.在不影响整体结构抗震性能的前提下，尽可能使建筑结构建造成本达到最低，使用的建筑材料(如混凝土、钢筋)用量最少，符合建设节约型社会可持续发展的要求.

3)含墙率最小化 在剪力墙结构住宅楼中，制约住房使用面积和使用灵活性的因素是剪力墙的布置位置、数量和截面尺寸.因此，应使含墙率最小化.

1.2 结构方案的设定 在剪力墙结构住宅中，内隔墙剪力墙往往是影响建筑使用空间和灵活性的最大因素.因此，为分析内隔墙对结构抗震性能及经济指标的影响，设定结构方案时仅对内隔墙布置做调整.笔者对若干常见的工字型平面住宅楼户型进行提炼、简化后，提出2个结构方案进行比选分析.

方案一 根据建筑使用功能要求，结构方案按建筑方案布置剪力墙及开洞，对个别墙肢过长的剪力墙设置构造洞口，如图1a所示.

方案二 本方案外墙布置与方案一相同，去除部分内隔墙剪力墙，如图1b所示.

图1 结构平面布置图

1.3 计算模型建立及参数取值 采用盈建科(YJK)结构分析软件对结构进行计算分析.分析模型设定为25层，首层层高为3.5m，其余各层层高为3.0m，结构总高75.5m，具体模型信息见表1.

材料参数：混凝土容重为26.0kN·m-3；钢材容重为78.0kN·m-3，梁、板、墙主筋和箍筋强度均取360N·mm-2，墙分布筋、边缘构件箍筋强度均取270N·mm-2.

设计参数：设计地震分组为第一组，设防烈度为8度，设计地震基本加速度为0.3g，场地类别为Ⅱ类，剪力墙抗震等级为二级，特征周期为0.35s，周期折减系数为0.98，连梁刚度折减系数取0.6，只考虑偶然偏心的影响，不考虑双向地震作用.

1.4 结构计算及对比分析 分别对2个结构方案的初步计算模型进行小震作用下弹性计算，并通过反复调整墙体厚度、连梁高度及洞口尺寸等方式，使得2个结构模型的各项整体性能指标满足高规[6]要求，且各结构构件截面尺寸和配筋不超限或控制在工程允许范围内.根据后续研究的需要，依据比选原则，通过对楼层抗侧刚度、楼层层间位移角、剪重比、地震作用和周期比等重要抗震性能指标[7-8]，以及混凝土用量、钢筋用量和含墙率等经济指标进行对比分析，选出较合理的结构方案.

表1 模型信息

1) 楼层抗侧刚度 方案一比方案二布置的内隔墙数量多，从图2a可看出，方案二的X向楼层抗侧刚度平均比方案一小5.7%，Y向楼层抗侧刚度平均比方案一小9.1%.同时，还可以看出，楼层抗侧刚度的主要差别在5层以下，5层以上楼层影响不大，说明内隔墙对楼层抗侧刚度的影响主要反映在底部楼层.

2) 楼层层间位移角 由图2b可看出，2个方案的层间位移角均小于规范限值1/1 000.方案二在X向楼层位移角更接近于规范限值，而Y向两者曲线基本吻合，说明方案一的抗侧刚度偏大，方案二抗侧刚度趋于合理.

3) 地震作用 由图2c可知，方案一与方案二的地震作用基本持平，方案二略小，有利于结构抗震.

4) 自振周期、周期比及剪重比 从表2可知，2个方案主振型自振周期相差不大，而周期比和剪重比也基本持平，方案二略小，说明方案二扭转效应较低，地震作用略小.

图2 楼层抗震性能指标曲线

5)经济指标 由表3可知，无论材料用量，还是含墙率，方案二均明显小于方案一.因此，方案二的建造成本明显比方案一低，且具有较大的建筑使用面积和较好的使用空间灵活性.

综上所述，2个结构方案各项抗震性能指标差别不大，均满足抗震要求，但方案二的结构抗侧刚度略低，而其抗扭刚度略高，遭受的地震作用也有所减小，经济指标的降幅明显.因此，在工字型平面高层住宅剪力墙结构中，适当减少内隔墙并不会削弱整体结构的抗震性能，反而在一定程度上会降低地震作用，结构布置更加合理，建造成本更低.

表2 自振周期、周期比和剪重比

表3 材料用量与含墙率

说明：1.每层楼层建筑面积为454.35m2； 2.材料用量均为理论值； 3.含墙率指墙肢总横截面积占楼层建筑面积的百分比;4.变化率指方案二比方案一降低的百分比.

2 开洞外墙对结构抗震性能的影响

结构在设计的过程中所进行的结构布置和构件截面的调整，都是在寻求合理的结构刚度[9].因此，有必要探讨工字型平面高层住宅剪力墙结构中抗侧刚度和抗扭刚度分布规律，分析工字型剪力墙结构开洞外墙对抗震性能的影响.

2.1 墙肢单元编号 该结构布置最为明显的特点是X轴方向外墙因建筑使用功能的需要，开洞比较多且大，是壁式框架结构，Y轴方向的4片山墙因墙肢过长也分别设有构造洞.为了研究方便，将平面不同部位的剪力墙按平面对称关系，分别编为墙肢单元W1，W2，W3，W4，W5，W6，W7，W8，W9，W10，W11，W12，W13，W14，如图3所示.

2.2 结构抗侧刚度 根据文献[9]，结构所受到的外部作用(如楼层作用荷载、风力和地震作用等)以及建筑的自重在结构内部的作用、传递以及所引起的结构反应都要通过属于结构内部因素的刚度来完成，并且若楼层楼板假定为刚性，则可以保证结构竖向构件承受的水平力按刚度分配[10].因此，根据刚性楼板的假定，通过YJK计算结果统计得到底层各墙肢单元所承担的水平地震剪力的比例(如表4)，分析各墙肢单元对抗侧刚度的影响.

表4 墙肢横截面积与剪力比

说明：1.总墙肢横截面积为32.22m2，面积比为墙肢单元横截面积占总墙肢横截面积的百分比；2.类核心筒指位于平面中央楼电梯井筒构成的中心筒体.

如表4所示，在单工况X地震作用下，X轴向墙肢单元W1～W7分担93.5%的水平地震剪力，Y轴向墙肢单元W8～W14分担6.5%的水平地震剪力；在单工况Y向地震作用下，X轴向墙肢单元W1～W7分担4.3%的水平地震剪力，Y轴向墙肢单元W8～W14分担95.7%的水平地震剪力.可见，平行于地震作用方向的墙肢提供90%以上的抗侧刚度，起主要抗侧作用；垂直于地震作用方向的墙肢提供不足10%的抗侧刚度，对结构抗侧刚度贡献不明显.

图4 单位横截面积墙肢分担剪力比例图

为了进一步研究各片墙肢单元对抗侧刚度的贡献，图4给出单位横截面积墙肢分担得到的水平地震剪力比例.由图4可知，在单工况地震作用下，位于平面中央楼电梯井筒构成的中心筒体墙肢(以下均称为类核心筒体墙肢)分担的水平地震剪力最大，其次是内隔墙墙肢，外墙墙肢则较小.而从同类型墙肢合计的贡献比例看，主轴方向上的外墙墙肢与同方向的类核心筒墙体墙肢分担的总剪力几乎是1:1的关系，如W1～W4与W5、W6以及W8～W10与W11、W12.

可见，开洞外墙因开洞导致单肢墙体截面积小且零散，单个墙肢分担的剪力不大，但其数量较多，合计分担的总剪力与类核心筒体墙肢分担的总剪力相当，反映出开洞外墙对整体结构的抗侧刚度贡献很大.

2.3 结构抗扭刚度 结构在地震作用下的扭转反应是平动效应与扭转效应的耦联反应，我国高规通过控制扭转周期与平动周期的比值(即周期比)，以减少结构扭转振动的增大效应[11-12].一般地，周期比越小，扭转反应就越小，说明结构的抗扭性能越好.因此，采用改变某一片外墙墙体厚度，控制其他墙体厚度不变的方式研究开洞外墙对周期比的影响规律，进而分析平面不同部位开洞外墙对抗扭刚度的影响.

在方案二的基础上改变平面上不同位置外墙的厚度，设定方案a，b，c与方案二比较，得到各方案前三阶振型自振周期，并计算出周期比Tt/T1，如表5所示，其中第一扭转周期均在第三振型，即Tt= T3.

方案a：墙肢单元W1，W4沿全楼加厚至350mm，其他墙肢不变.

方案b：墙肢单元W2，W3沿全楼加厚至350mm，其他墙肢不变.

方案c：墙肢单元W8，W9沿全楼加厚至350mm，其他墙肢不变.

表5 自振周期与周期比

从表5可知，加厚外墙后，各振型的自振周期均有减小，抗侧刚度和抗扭刚度提高.同时，通过对比各方案前三阶自振周期可知，X向外墙W1,W4和W2，W3对抗侧刚度的影响程度相当，而平面位置离类核心筒较远的墙W1，W4对抗扭刚度的影响更明显，Y向外墙W8，W9对结构抗扭刚度影响很小.对比各方案周期比发现，相对方案二，只有方案a周期比减小，方案b、方案c均增大.可见，加厚平面位置离类核心筒较远的第一振型方向的外墙，能有效减小结构扭转反应.

3 结 论

主要针对开洞外墙对工字型平面高层住宅剪力墙结构抗震性能的影响进行研究，研究成果表明：开洞外墙对结构抗侧刚度、抗扭刚度贡献十分显著,并呈现出如下规律：

1) 简单地增加内隔墙剪力墙，对抗侧刚度有贡献，但对其抗扭刚度贡献不明显，而且还会增加建造成本，影响使用空间.因此，应控制此类墙体的数量，并使其平面布置的部位尽量靠结构平面外侧；

2) 位于平面中央的类核心筒体墙肢对楼层抗侧刚度的贡献很大，是主要的抗侧力构件；同时，在2个主轴方向上的开洞外墙墙肢同样为整体结构提供了较大的抗侧刚度，且贡献的比例不低于类核心筒体.在该类结构抗震设计时，应充分发挥开洞外墙对整体结构抗侧刚度贡献的潜能；

3) 加厚平面位置离类核心筒较远的第一振型方向的外墙，能有效减小结构扭转反应.

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[12] 徐培福，黄吉锋，韦承基. 高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应[J].建筑科学，2000,16(1)：1-6.

Effects of Exterior Walls with Openings on Seismic Performances of the Shear-wall Structure of a Tall Residential Building with I-Shaped Plan

Zhang Shimao1, Duan Xiaonong1, Tang Neng2, Yang Zhujuan1

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China;2. Haikou College of Economics, Haikou 571127, China)

In our report, the effects of exterior walls with openings on seismic performances of the shear-wall structure of a tall residential building with I-shaped plan were analyzed. Firstly, YJK structure analysis software was used to demonstrate the rationality of the chosen structural scheme; secondly, according to the proportion of the horizontal seismic shear shared by wall limb of different parts in plan and the rule of natural variation period ratio of the torsional motion to the translational motion of the structure, the effects of the shear-wall of different parts, especially the exterior walls with openings, on seismic performances of the structure were analyzed. The results indicated that the contribution of the exterior walls with openings to the whole structure’s lateral stiffness and torsional stiffness is evident, which can provide references for seismic design of the similar engineering structures.

tall residential building; shear-wall structure; exterior wall with opening; seismic performance

2015-01-19

张诗茂(1989-)，男，海南海口人，2012级硕士研究生，研究方向：工程抗震，E-mail:342925607@qq.com

段晓农(1965-)，男，甘肃平凉人，副教授，硕士生导师，一级注册结构工程师，研究方向：结构设计理论及其应用、空间钢结构，E-mail：duanxnng@qq.com

1004-1729(2015)03-0264-07

TU

ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0048