高层剪力墙结构层间位移角的调整

王中士 张会伍

(1.商丘市华厦建筑设计有限公司，河南 商丘 476000； 2.河南大正投资置业有限公司，河南 郑州 450000)

高层剪力墙结构层间位移角的调整

王中士1张会伍2

(1.商丘市华厦建筑设计有限公司，河南 商丘 476000； 2.河南大正投资置业有限公司，河南 郑州 450000)

对高层剪力墙结构层间位移角的构成进行了理论解析，并结合工程实例，给出了在风荷载作用下高层剪力墙结构最大弹性层间位移角调整的若干方法，为同类问题的研究积累了经验。

风荷载，高层剪力墙结构，层间位移角，调整

一般对高层建筑结构的设计包括两个方面：承载能力极限状态和正常使用极限状态。对高层建筑，结构设计往往是由正常使用极限状态来控制。这就要求高层建筑在地震或风荷载作用下要满足水平变形的要求，水平变形过大则导致：

1)竖向结构构件产生裂缝或损坏，进而影响结构的承载力；2)幕墙、隔墙、填充墙等非结构构件损坏；3)结构的整体稳定性受到影响。因此JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[1]第3.7.3条和GB 50011—2010建筑抗震设计规范[2]第5.5.1条规定高度不大于150 m的高层建筑，对纯剪力墙结构其楼层层间最大位移与层高之比Δui/hi不宜大于1/1 000。而对高层建筑弹性层间位移角主要是由风荷载控制，地震作用往往不起控制作用，特别是在低烈度地区的沿海城市风荷载控制层间位移角尤为突出。

1 弹性层间位移角的解析

层间位移角在宏观上反映了建筑物侧向刚度的大小，对层间位移角的控制也就是保证了高层建筑结构具有必要的抗侧刚度。弹性层间位移角为楼层层间最大弹性水平位移与对应楼层层高之比，即：θi=Δui/hi。其限值[θi]为钢筋混凝土竖向构件开裂时对应的层间位移角。由层间位移角的公式可知，求得楼层层间最大弹性水平位移即可得层间位移角。因此控制层间位移角相当于控制该楼层所有竖向构件的层间位移，当楼盖为刚性时，对于大多数不对称结构，则同一榀抗侧力结构各竖向构件的层间位移角可视为相等(层高一致时)[3]。由于高层建筑在水平力的作用下扭转效应几乎无法避免，所以Δui的最大值一般在结构单元的尽端处。楼层层间最大位移Δui以楼层竖向构件最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲转角产生的侧移，主要是因为高度不大于150 m的常规高度高层建筑的整体弯曲变形相对影响较小，但当高度超过150 m时，以弯曲变形为主的高层建筑结构整体弯曲变形产生的侧移即非受力位移有较快的增长，增长的部分在整体层间侧移中占有相当的比例，所以应扣除此部分的变形，若不扣除此部分的变形，则位移角限值可以适当放宽。层间位移Δui包括非受力位移Δui-1和受力位移Δuid，如图1所示，其中受力位移引起的变形为有害变形，它对应的是有害层间位移角θid。

当各层层高相等时，即hi=hi-1，假如C点作用有剪力Qi，弯矩Mi，层间的剪力墙作为刚体，自身不发生变形，刚体在第i层底发生转角θi-1，即第i-1层的层间位移角继续向上延伸所得。则第i层的层间位移Δui[3]为：

(1)

非受力位移:

Δui-1=θi-1hi

(2)

受力位移:

(3)

得：

Δui=Δui-1+Δuid

(4)

另外，由图1的几何关系可知：

Δui=ui-ui-1

(5)

(6)

(7)

(8)

其中,E，G分别为墙体材料弹性模量及剪切模量；Ii，Fi分别为墙体截面绕厚度方向的抗弯刚度及截面面积；μ为截面剪应力不均匀系数；Δui为第i层的层间位移；Δui-1为第i-1层的层间位移亦等于第i层底部转角引起的刚体位移，即为非受力位移；Δuid为第i层的有害层间位移即第i层的受力位移；ui为第i层的位移，图1中CC′之间的距离；ui-1为第i-1层的位移，图1中BB′之间的距离；θi为第i层弹性层间位移角；θi-1为第i-1层弹性层间位移角；θid为第i层有害层间位移角即第i层上、下楼盖的转角差由受力位移引起；hi为第i层层高；hi-1为第i-1层层高。

2 工程实例

2.1 工程简介

本工程为南方某7号楼，地震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅲ类，剪力墙结构，50年一遇基本风压为0.8 kPa，地面粗糙度为B类，X方向建筑长44 m，Y方向建筑最大宽度18.2 m，最小宽度9.9 m，总高度99.99 m。

2.2 层间位移角调整的过程

根据建筑墙体布置和使建筑两个方向的动力特性相近。由于Y向为建筑物的弱向，需在Y向布置剪力墙多一些，然后采用SATWE软件试算，计算时采用全楼面刚性楼板假定。计算结果见图2。

由计算知：地震作用下的层间位移角均满足规范的要求，但在风荷载作用下，X向最大层间位移角出现在13层，为1/1 566，满足规范要求；Y向最大层间位移角出现在24层，为1/908，不满足规范要求；可见对此建筑的层间位移角风荷载起控制作用。

由于Y向层间位移角与规范相差很大，通过局部调整，无法满足规范要求，因此可通过下列手段调整结构的抗侧刚度：

1)调整Y向剪力墙的结构布置，增加Y向剪力墙的数量；

2)高层建筑的剪力墙最好不要有一字墙，更不要有一字短肢墙，Y向剪力墙应尽量做成L形或者T形，若由于建筑要求不得不做成一字墙，则在剪力墙端部做成端柱的形式；

3)建筑物平面外侧剪力墙的刚度对结构的整体刚度有着十分显著的影响，因此要加大Y向外侧剪力墙的刚度，若剪力墙由于建筑洞口要求不得不在Y向分段，则各墙段之间应用高连梁连接，以很好的传递各墙段之间的刚度。根据JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程5.2.1条及其条文说明在风荷载作用效应计算时可不考虑连梁的刚度折减；

4)X向与Y向的剪力墙刚度不是各自孤立的，而是相互联系，相互影响的；减小远离Y轴与Y向剪力墙相连的X向的剪力墙的长度会影响Y向剪力墙的刚度，进而影响Y向的层间位移角；

5)加强整体结构外围如L形墙体X向的短墙肢的厚度和连接L形墙体之间X向连梁或梁的宽度，对Y向剪力墙的抗侧刚度的贡献是很可观的，就像增加工字形截面的翼缘一样增大了截面刚度；但是增大X向连梁或梁的高度对Y向层间位移角的影响甚微；

6)增加建筑物外围Y向剪力墙的厚度，尤其是远离X轴的Y向剪力墙的厚度效果更佳；

7)查看计算结果，看哪一层或几层的层间位移角不满足规范要求，针对性的改变不满足要求的那几层的混凝土强度等级，对改变Y向层间位移角是有效的；

8)Y向的层间位移角由风荷载控制，但是X向的层间位移角由地震作用控制，无论何种荷载或作用起控制作用，尽量使两个方向的动力特性相近，在增大一个方向抗侧刚度的同时应兼顾到另一方向的抗侧刚度，调整的过程应相互协调。

通过1)，2)两种方法的调整，查看计算结果可知，层间位移角为1/980，已经接近规范要求，但仍然不满足规范。此时继续调整Y向刚度，但不需要布置剪力墙，可以通过3)步～8)步进行微调，然后继续计算，通过查看计算结果，最后在风荷载作用下Y向最大层间位移角为1/1 004，X向为1/1 705，均满足规范要求。

3 结语

通过对层间位移角的解析和对工程实例进行调整计算，可得结论：1)层间位移角θi由两部分组成，一部分为受力位移产生的转角即有害位移角θid，另一部分为非受力位移产生的转角即本层相邻下一层的层间位移角θi-1。对于层间位移角θi，如果其主要部分是由非受力位移角θi-1引起，则结构是没有危险的，剪力墙结构是安全的；反之，如θi主要系由受力位移角引起，则由于剪力墙为脆性结构，应对层间位移角严加控制；2)加强Y向外侧剪力墙的刚度，Y向各分段的剪力墙之间用高连梁连接，其刚度可以不折减；3)X向与Y向剪力墙的刚度不是孤立的，而是相互影响的，尤其是在建筑物外侧，其相互影响性更加明显，减弱X向剪力墙会影响到Y向剪力墙的刚度；4)增加建筑物外围X向的如L形较短边的剪力墙的厚度，同时增加两短肢墙之间X向梁的宽度，对Y向的抗侧刚度影响显著；5)改变建筑物外围Y向剪力墙的厚度对层间位移角影响比较显著，尤其是改变远离X轴的Y向剪力墙的厚度；6)改变层间位移角不满足要求的某一层或几层的剪力墙的混凝土强度等级对改变Y向层间位移角有帮助。

[1] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] 魏 琏，王 森.论高层建筑结构层间位移角限值的控制[A].首届全国建筑结构技术交流会论文集[C].2006.

On adjustment of interlayer displacement angle of high-rise shearing wall structure

Wang Zhongshi1Zhang Huiwu2

(1.ShangqiuHuaxiaArchitecturalDesignCo.,Ltd,Shangqiu476000,China;

2.HenanDazhengInvestmentPropertyCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper has the theoretic analysis of the components of interlayer displacement angle of high-rise shearing wall structure, combining with engineering examples, and provides the adjustment methods for the maximum elastic interlayer displacement angle of the high-rise shearing walls under the wind loading, so as to accumulate some experience for similar problems.

wind loading, high-rise shearing wall structure, interlayer displacement angle, adjustment

1009-6825(2015)02-0030-02

2014-11-07

王中士(1980- )，男，硕士，工程师，一级注册工程师； 张会伍(1979- )，男，工程师

TU973.16

A