框架剪力墙模型下结构抗震性能包络研究

【摘要】

结合案例基于有限元数值分析，全面分析超高层剪力墙结构住宅在地震荷载的影响下的受力状态以及可能形成的破坏，同时查找结构设计过程中结构所存在的薄弱环节，为后续加强措施的应用提供依据。

【关键词】超高层; 剪力墙; 住宅; 抗震性能

【中图分类号】TU352.11【文献标志码】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者简介］张含霞（1990—），女，硕士，讲师，工程师，研究方向为建筑与土木工程。

1 研究背景及意义

据国家统计局数据显示，2016年末我国常住人口城镇化率达57.4%，城镇人口的不断增加，促进了我国房地产业的发展，尤其是住宅需求不断提升。2017年1～10月我国房地产住宅投资61 871.23亿元，同比增长超9.5%。为了提高城市土地利用率，建筑高度不断提升，剪力墙结构也随之广泛应用于建筑结构之中。据相关统计数据显示，目前我国高层建筑中剪力墙结构已超75%［1］。建筑结构设计过程中，设计人员对纯剪力墙结构设计在实践中已经积累了较多的经验，设计过程中剪力墙的布置通常情况下，主轴方向刚度应保持一致，不应相差过大，剪力墙沿主轴方向双向布置。进行抗震设计过程中建筑竖向结构受力应该上下连续，水平方向上应该做到尽可能的保持对齐，“一字墙”不应布置在纯剪力墙结构之中。在实际项目设计过程中，如果为了抵抗侧向荷载，过多的布置剪力墙，会增加建筑的整体质量，发生地震时吸收过多的能量［2］。同时由于构件刚度大，造成材料的浪费，成本增加。如果墙肢布置过少，导致建筑侧向刚度不足，无法有效的抵抗侧向荷载，无法满足建筑抗震要求。

剪力墙结构构件设计过程中如何平衡强度与刚度之间的关系一直是业界研究的重点。目前，国内外的学者以及结构设计领域专家对剪力墙结构的研究主要是基于竖向构件尺寸以及剪力墙构件算法上展开。对于剪力墙墙肢长度的研究主要是在一般剪力墙与短肢剪力墙之间的对比分析上［3］。尽管部分研究对剪力墙结构进行了优化分析，但是也主要集中在材料强度、墙肢长度以及墙肢厚度等方面。

根据我国GB 50352-2005《民用建筑设计通则》规定：“建筑高度超过100 m时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑［4］。”根据抗震设防烈度、结构形式、抗震设防分类等不同，建筑的高度限制也有所差异［5］。随着建筑技术的不断发展，建筑高度不断提升的同时超限建筑也不断涌现。设计人员在进行结构设计的过程中，越来越多的采用剪力墙结构形式，使得超高层住宅剪力墙结构的抗震性能研究具有现实意义。

本文对超高层剪力墙结构住宅进行深入的研究，所选案例地上54层，地下4层，标准层层高3.2 m，建筑地上部分总高度为170 m。总建筑面积52 189 m2，共有住宅216套。项目选用钢筋混凝土剪力墙结构形式，因为开发商对功能要求相对较高，高宽比为9.05，远远超过国家规范要求使得建筑结构抗震性能存在较多的不利因素，与一般建筑结构抗震设计相比难度更大。且该住宅建筑高度达到170 m，后期投入使用后住户人数多，对结构安全性要求高，如何保证结构在地震作用下的安全性是本文主要研究的重点内容。

2 工程建筑概况

本建筑项目位于某省省会城市，项目由某知名房地产企业开发。建筑为超高层住宅项目，地上54层，地下4层，标准层层高3.2 m，建筑地上部分总高度为170 m。总建筑面积52 189 m2，共有住宅216套。本项目总平面见图1。

2.1 结构超限概况

我国对于结构体系较为复杂、超出国家现有的设计规范的项目设计展开相应的评估工作，尽管本工程设计人员选用的是较为常见的剪力墙结构体系，但因为所设计的建筑为住宅，其使用功能使得建筑设计上存在较多的超出现有规范要求的设计元素［6］，例如：建筑的高宽比、平面与竖向规则性等方面。而这些方面《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中对超限情况进行了具体的规定。

2.2 工程地质情况

2.2.1 场地地层分布及地下水

根据地质勘查报告显示，本项目地下水主要位于砾砂层以及圆砾层之中，属于潜水层，地下水平均埋深为12.36 m，地质勘查期间地下水水位位于11.6～15.1 m之间。水位变化幅度在0.6～2.0 m之间，抗浮水位为地下9.8 m处。对地下水进行水质检测发现，该水质对钢筋混凝土具有弱腐蚀性。

同时，设计人员对地震效应进行分析，场地设计地震分组为第一组，特征周期值取为0.35 s，加速度取值为0.10g；根据地脉动测定以及波速测定，该项目20 m区域内覆盖层厚度3～50 m，土层等效剪切波速为210～260 m/s，属于Ⅱ类场地；随机选择场地内3个点进行振动测试，测得平均周期分别为0.358 s、0.335 s、0.395 s。该场地从地貌、地形、地质等条件均属于建筑抗震一般地段。

3 框架剪力墙模型下结构抗震性能包络研究

因为本文所选用的案例项目在X方向上外墙存在大量的短肢墙体构件，所以在进行模型分析研究的过程中需要将短肢墙体改为框架柱，对框架剪力墙模型展开进一步的补充研究。利用框架柱替换短肢墙体的过程中需要使得框架柱在厚度与长度上与短肢剪力墙保持一致。为更好的模拟框架柱在地震作用下的受力情况，需要在相连墙肢与框架柱之间布置相应的计算缝。根据1.5Vfmax与0.2V0中的较小值对模型中每层框架柱的总剪力进行调整。模型设计过程中需要满足所布置的框架柱能够满足结构构造要求的同时还能够有效完成短肢剪力墙包络分析需求。

本工程项目根据中震弹性抗震性能化目标对框架剪力墙模型中的短肢剪力墙进行包络分析，要求底部短肢剪力墙在中震弹性情况下能够满足受剪承载力与正截面承载力需求。

3.1 模型合理性判定

模型构建是否合理直接影响后续验证数据是否可靠，是否与项目实际相符。因此在开展后续研究前需要对所建的模型进行合理性判定。在进行包络分析的过程中，利用框架柱代替短肢剪力墙，从而将剪力墙模型转化为框架剪力墙模型，在此过程中选用分缝措施，选用刚性单元将框架柱与墙体进行连接。在一定的水平力作用下，通过SATWE软件对框架柱受力进行分析，研究其在该作用力下在整个结构中所分担的地震倾覆力矩的比例，由此可以判断软件中所建立的框架剪力墙模型是否合理、是否可行。通过SATWE软件对本文所选用的案例进行框架剪力墙模型合理性验证，结果详见图2。

根据图2可知，在一定水平力作用下，框架剪力墙模型中底层框架结构在X方向上所承担的地震倾覆力矩占建筑整体模型所承受的地震倾覆力矩的28%，处于10%～50%之间，因此可以认为本项目利用框架柱替换短肢剪力墙所形成的框架剪力墙结构模型是合理的，可以对其开展进一步的研究。

3.2 框架剪力墙模型研究

3.2.1 振型与周期分析

首先对X方向平动、Y方向平动、Z方向扭转质量参与系数以及相应的周期进行分析。具体详见表1模态振型质量参与系数与周期。

从表1可知，所有X方向与Y方向上振型质量参与系数都大于90%。从表1前两行可以看出，前面两个振型结构构件主要是以平动为主，软件分析发现第一扭转周期与平动周期的比值均为0.646，第三振型主要以扭转为主，而第一和第二振型以X与Y两个方向的平动为主。第一扭转周期与平动周期的比值可以被采用。

3.2.2 楼层剪力分析

利用SATWE软件对X方向楼层剪力与Y方向楼层剪力进行分析，详见图3、图4。同时，将50年一遇风荷载的1.1倍、中震、小震情况下X方向基底剪力与Y方向基底剪力计算结果汇总至表2。

从表2可知在框架剪力墙模型下，结构在遇到50年一遇风荷载的1.1倍荷载情况下基底X方向剪力为4 823.81 kN，基底Y方向剪力为15 195.49 kN；遇到中震荷载情况下基底X方向剪力为39 748.61 kN，基底Y方向剪力为41 475.96 kN；遇到小震荷载情况下基底X方向剪力为17 148.38 kN，基底Y方向剪力为1 7946.74 kN；剪力墙模型中结构在遇到50年一遇风荷载的1.1倍荷载情况下基底X方向剪力为5 041.63 kN，基底Y方向剪力为14 899.63 kN；遇到中震荷载情况下基底X方向剪力为39 339.38 kN，基底Y方向剪力为40 836.57 kN；遇到小震荷载情况下基底X方向剪力为17 123.87 kN，基底Y方向剪力为17 845.86 kN；可以看出剪力墙模型与框架剪力墙模型中基底剪力计算结果基本一致。

3.2.3 结构最大层间位移与层间位移角分析

利用SATWE软件对框架剪力墙结构X方向及Y方向结构最大层间位移与层间位移角分别展开分析。结构最大层间位移分析结果详见图5以及表3结构最大层间位移汇总。

从表3可知在框架剪力墙模型下，结构在遇到50年一遇风荷载情况下X方向最大层间位移为11.81 mm，Y方向最大层间位移为73.02 mm；遇到小震荷载情况下X方向最大层间位移为51.93 mm，Y方向最大层间位移为81.47 mm；在剪力墙模型中，结构在遇到50年一遇风荷载情况下基底X方向最大层间位移为12.94 mm，Y方向最大层间位移为73.85 mm；遇到小震荷载情况下X方向最大层间位移为52.77 mm，Y方向最大层间位移为84.94 mm。两组模型结构最大层间位移计算结果基本保持一致，且在框架剪力墙模型中小震情况下结构的最大层间位移为81.47 mm，在剪力墙模型下结构最大层间位移为84.94 mm。

层间位移角分析详见图6及表4最大层间位移角汇总。

从表4可知在框架剪力墙模型下，结构在遇到50年一遇风荷载情况下X方向最大层间位移角为1/9986，Y方向最大层间位移角为1/1213；遇到小震荷载情况下X方向最大层间位移角为1/2209，Y方向最大层间位移角为1/1215；在剪力墙模型中，结构在遇到50年一遇风荷载情况下X方向最大层间位移角为1/8674，Y方向最大层间位移角为1/1746；遇到小震荷载情况下X方向最大层间位移角为1/2461，Y方向最大层间位移角为1/1369。两组模型结构最大层间位移角计算结果基本保持一致，且在框架剪力墙模型中小震情况下结构的最大层间位移角为1/1215，在剪力墙模型下结构最大层间位移角为1/1369，由此表明两组模型在整个高度范围内结构刚度没有出现突变情况。

3.2.4 扭转位移比

利用SATWE软件对框架剪力墙结构X方向及Y方向结构扭转位移比，即：层间最大水平位移与层间位移平均值的比值，在分析过程中需要对地震波所形成的水平作用力及偶然偏心作用力所产生的影响。分析结果详见图7、图8。

根据上述分析可知，在框架剪力墙模型与剪力墙模型中考虑偶然偏心作用情况下扭转位移比结果基本保持一致。除底部三层外，其余各层X方向与Y方向上楼层最大水平位移与层间位移平均值都不大于1.2。而底部三层Y方向扭转位移比虽然大于1.2，但是并未超过1.4。因此可以说明该设计方案能够满足扭转要求。

4 结论

通过一系列的研究分析，本文得出几点结论：

（1）本文所选用的案例不仅仅是超高层建筑，还在多方面

超过的国家相应的规范标准，因此属于超限工程项目。对于超限、超高层项目具有其自身许多独特的性能。而根据建筑本身的特点制定科学合理的抗震性能化目标能够有效的提高建筑的安全性，能够使所设计的建筑结构构件抗震性能得到充分的发挥，可以避免过度设计造成的浪费，实现建筑设计的安全性、经济性、合理性要求。因此本文对所选案例进行了超限情况评估，根据案例项目特定制定抗震性能化目标。

（2）利用SAWTE软件对结构中震弹性、中震不屈、大震不屈进行研究分析，详细分析结构构件以及整体性能在不同地震波影响下的反应情况，通过理论分析与数据论证，了解结构模型中抗震的薄弱环节。通过包络性分析得出的结论对相应的构件选取合适的设计方式与加强措施，同时为下一阶段超高层建筑设计提供新的研究思路。

参考文献

［1］ 范值慎. 高地震烈度区超高层剪力墙结构住宅的抗震性能设计研究［D］.北京：北京建筑大学，2015.

［2］ 熊德成，艾心荧，李干椿，等. 新型钢框木模体系在天津高银117大厦钢板剪力墙中的应用研究［J］. 施工技术，2015，44（2）：5-8.

［3］ 廖耘，容柏生，李盛勇. 对200m以上超高层建筑剪力墙轴压比计算方法和限值的改进建议［J］. 建筑结构，2015，45（7）：8-11.

［4］ 康志宏. 高层剪力墙结构住宅优化设计研究［D］.北京：清华大学，2014.

［5］ 陶健，杨丽琛. 关于建筑结构设计中剪力墙设计的探讨［J］. 中小企业管理与科技（中旬刊），2015（3）：127-128.

［6］ 姜川. 短肢剪力墙抗震设计与经济效益的综合评价［D］.合肥：安徽建筑大学，2016.