短肢剪力墙结构抗震性对比分析

卜伟

【摘 要】本文以西安市某高度为50m的剪力墙结构点式高层住宅楼为背景，通过合理简化，利用有限元分析软件ANSYS建立合理的短肢剪力墙结构模型，同时建立异形柱框架剪力墙结构、普通剪力墙结构模型，并将短肢剪力墙结构与另外两种相近的结构进行比较分析，对比其在抗震性方面的差异，发现短肢剪力墙结构的抗震性和经济性的等综合性能较好。

【关键词】短肢剪力墙结构；抗震性

0 前言

1997年我国专家首次提出短肢剪力墙结构体系，但是关于该种类型结构的应用，《建筑抗震设计规范》[1]和《混凝土结构设计规范》[2]中并未给予详细的说明。虽然在《高层建筑混凝土结构规程》[3]作出相关要求，如高度范围、抗震等级、墙体厚度以及在整个结构中所占倾覆力矩的百分比等。但是，这些要求都是基于实验室中获得的数据的基础上提出来的，具有一定的局限性，缺乏现实的地震考验。因此，对这种类型结构体系抗震性的分析，特别是针对高层住宅中的应用研究，能够为今后该种结构的设计提供参考依据。

1 短肢剪力墙结构抗震性对比分析

1.1 模态分析

模态分析是分析结构动力特性的基础，通过模态分析可以获得结构的自振频率、周期、振型等自振特性[4]。

通过不同结构类型之间的比较，异形柱框剪结构的周期比为0.89，短肢剪力墙结构的周期比为0.87，普通剪力墙的周期比0.86。三种结构的周期虽均在规范要求之内，但都比较接近限值0.9，尤其是异形柱框剪结构已快达到限值，主要原因在于点式高层住宅的X、Y两向尺寸接近且较小，同时结构核心处电梯井刚度较大，而外侧墙肢由于需要满足结构空间需排布较为疏松，这致使结构整体形成“内刚外柔”的框筒，所以周期比偏大。而在异形柱框剪结构中由于异形柱的存而削弱结构外围刚度，在核心区刚度（主要是电梯间核心筒刚度）不变的情况下，使得作用于结构的能量中促使结构扭转的能量增加。而短肢剪力墙结构安全性更接近普通剪力墙，安全性优于异形柱框剪结构。

1.2 反应谱分析

反应谱分析步骤主要有：

（1）将类别设为单点相应谱。模态数取前30，并将应力响应设为开启状态。

（2）设置反应谱类型为加速度谱，根据相应的反应谱值乘以重力加速度得到地震加速度，激励方向分别为X向和Y向，进行谱分析求解。

（3）模态扩展。本文选择SUBSP方式扩展。

（4）模态合并。因为在同一时刻所有模态的值不可能都达到最大，所有模态的最大值不会同步出现，因此每一阶扩展模态的响应需要合并为总体响应。本文采纳ANSYS提供的CQC法进行组合，即各振型反应的完全平方组合法，该法考虑了结构各振型之间的偶联。反应谱分析可以获得层位移、层间位移角以及各层的剪力，其中层位移用u表示，层间位移角θ=Δu/h，式中 h为层高，Δu为层相对位移。通过分析发现这三种结构的楼层位移曲线不论X向还是Y向都连续，平滑，无突变，这表明整个建筑没有特别显著的薄弱部位，其中异形柱框剪结构由于其中的异形柱截面尺寸较短刚度较小，所以其变形曲线基本上呈现剪切型；普通剪力墙结构由于墙肢较长，变形基本上呈弯曲型，但不是很明显；短肢剪力墙结构的变形介于两者之间，底部表现出弯曲型，上部表现为剪切型，变形曲线趋近直线。总体来说，X，Y两个方向的变形趋势基本相同。相比之下異形柱框剪结构的位移反应虽然能满足规范要求但是较大，普通剪力墙结构最小，比较安全，短肢剪力墙结构居于两者之间。这主要是因为，短肢墙结构较普通墙结构墙率减小了15.5%，异形柱框剪结构相对于短肢墙结构墙率减少了20.76%。总之，就本工程而言除异形柱框剪结构外的另两种结构的设计相对比较安全。通过对三种设计方案的最大层间位移角的比较，其出现在整个结构的中间靠下部位，且最大层间位移角出现在7层，但异形柱框剪结构的层间位移角较大，短肢墙和普通墙的变化趋势较为接近，说明短肢墙和普通墙的层间位移延竖向变化较为均匀，整体抗侧刚度较好。

1.3 弹性时程分析

依据《建筑抗震设计规范》中的要求：对于极其不规则的建筑、甲类建筑和达到一定高度范围的高层建筑以及采用新的结构形式或新的建筑材料的建筑结构，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算[2]。

（1）异形柱框架剪力墙结构计算结果

异形柱框架剪力墙结构的最大位移为32.16mm，最大基底剪力为1842.3KN；短肢剪力墙结构的最大位移是29.78mm，最大基底剪力为1918.3KN；普通剪力墙结构的最大位移为27.46mm，最大基底剪力为2109.5KN。规范反规定，对普通剪力墙结构的时程分析的最大剪力应大于振型分解反应谱法的65%。

2 结论

本文结合现实工程案例，利用有限元分析软件ANSYS对比分析了短肢剪力墙结构与其他结构类型抗震性能的差异，得出如下结论：

（1）通过模态分析可知。短肢剪力墙结构第1振形延X向移动，第2振形延Y向移动，说明结构在X向的抗侧刚度较小，但X、Y向相差不大，说明结构X、Y方向的刚度比较接近，第3阶振形为绕质心转动，说明抵抗扭转的刚度优于平动刚度，结构布置合理。短肢剪力墙结构的周期比符合规范要求，优于异形柱框架剪力墙结构。

（2）通过多遇地震下的反应谱分析和时程分析的比较分析，短肢墙结构的变形表现出S形，这说明其变形型式介于剪切型和弯曲型之间，属弯剪型。另外该结构的层间位移角均符合规范规定，安全性优于异型柱框剪结构。

（3）对于点式高层建筑中短肢剪力墙的设计，应考虑采用“外长内短”的方式，将短肢尽量布置在结构内侧，另外可以通过对短肢的灵活设置来调整结构的质心和刚心。

（4）当倾覆力矩比在40%左右时，短肢剪力墙结构的抗震性能可以满足该类工程——7度区高度50m左右的点式高层建筑的要求，同时在经济性上优于其它结构。

【参考文献】

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-20110）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]高层建筑混凝土结构技术规程（GJ3-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]傅志方，华宏星.模态分析理论与应用.上海：上海交通大学出版社，2000.