剪力墙结构概念设计在建筑结构设计中的运用

关志荣

(佳木斯市建筑设计研究院， 黑龙江 佳木斯 154002)

我国地震工程研究取得了重大进展，但仍存在许多不确定性。在经历了地震灾害后，人们逐渐认识到剪力墙结构概念设计的重要性。剪力墙结构的概念设计是指运用对建筑结构体系和地址工程力学的正确认识，妥善处理建筑结构设计中的各种问题[1]。

1 剪力墙结构概念设计的基本原则

1.1 选择合适的刚度

在地震作用下，结构的振动周期会随着结构刚度的增加而缩短。如果建筑结构刚度过高，将承受更大的地震荷载，遭受更严重的破坏；如果建筑结构刚度太低，风荷载和地震荷载产生的侧向挠度会增加很多，这样会影响建筑物的稳定性和正常使用性能。因此，选择合适的刚度对建筑物的安全性、经济性和使用性能有着直接的影响。

1.2 选择合适的钢筋混凝土结构

多年来，我国建筑抗震设计的目标一直是建造能经历中等地震可修复和严重地震不倒塌的建筑物。为了达到这一设计目标，结构设计用于抵抗地震荷载的构件必须以延性方式工作，并以不影响结构整体性能的方式耗散能量。成功的框架抗震设计要求结构的配筋合理，使塑性铰发生在强度影响最小的位置，因此采用“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的理论指导方法来设计钢筋混凝土结构。

1.3 选择多道抗震设防体系

建筑主体结构应按多道抗震设防体系进行设计。为了抵御灾难性地震，结构的某些部分可能会在局部位置屈服或开裂，随着这种屈服的扩张，将延长建筑物的振动周期并增加其阻尼，使其能够耗散大量地震能量。因此，多道设防的建筑物能够抵抗强烈的地震作用，而不会出现重大的结构破坏。

1.4 选择合适的几何结构特性

地震振动频率越接近结构的固有频率，结构发生共振的可能性就越大，从而导致建筑物位移和损伤的增加。因此建筑对地震的反应依赖于其几何结构特性，尤其是建筑高度。高层建筑对长周期(低频)地震的反应更强烈，而多层建筑对短周期(高频)地震的反应更强烈。

2 剪力墙结构概念设计在工程中的应用

2.1 项目说明

本工程为高层住宅，建筑高度78 m。地下1层，地上26层。地下室层高4.0 m，一层层高5.5 m，其余层高均为2.9 m，总建筑面积11 134.57 m2。工程采用剪力墙结构体系，抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度为0.30 g。

图1 两种结构布置方案Fig.1 Two structural layout schemes

2.2 结构布置

两种剪力墙结构布置方案如图1所示。整体结构的形状对地震反应有很大的影响，刚度或几何不连续的结构可能承受极大的地震力，产生非常大的位移。结构要具有合适的刚度和足够承载力，绝大部分结构构件应在整个建筑平面上均匀对称分布。

剪力墙结构沿墙的长度方向即平面内抵抗侧向力的能力很强，但沿墙的厚度方向即平面外抵抗侧向力的能力很弱。设计时通常忽略墙对平面外水平力的横向阻力，为了使两个方向都具备抗侧能力，通常让两个或两个以上的墙垂直相交，以提供对所有方向侧向力的承载能力。为了减少地震对建筑结构产生的扭转效应，可根据建筑物的质量特性进行设计，当刚度中心靠近所施加侧向力的质心时，抗扭转效果最好。根据工程经验，剪力墙的合理长度为2.0～3.5 m，不小于5 bw(bw为壁厚)。本工程的一层剪力墙厚为250 mm，其他楼层为200 mm。

2.3 结果和分析

该结构设计确保其在所有规范规定的荷载条件下具有足够的强度、刚度和稳定性。本工程采用PKPM有限元分析软件进行分析，计算结果如下：

(1)楼层层间位移角的对比：层间位移角(即层间最大位移与层高之比)是控制结构不规则性与整体刚度的主要指标。限制层间位移角可以保证主体结构处于弹性阶段，以防止混凝土构件变形过度造成开裂；可以确保填充墙、各种管道和其他非结构构件处于良好状态，且无明显损伤。地震工况下方案1 X方向层间位移角为1/846，Y方向为1/870；方案2 X方向层间位移角为1/1421，Y方向为1/1366。风荷载工况下方案1 X方向层间位移角为1/1579，Y方向为1/1549；方案2 X方向层间位移角为1/1328，Y方向为1/1275。地震荷载+风荷载工况下X方向层间位移角为1/1204，Y方向为1/1153；方案2 X方向层间位移角为1/1102，Y方向为1/1021。从中可以看出，方案2的最大楼层偏移角满足规范要求，而方案1不满足规范要求。(地震和风荷载作用下最大层间位移角限值分别为1/1000和1/1100)。

(2)横向刚度对比：剪力墙是主要的抗侧力构件，承担着近80%的水平地震和风荷载作用。剪力墙的抗侧刚度直接影响结构的安全性能和造价[2]。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]，楼层的侧向刚度不小于其上一层的70%，不小于其上三层平均刚度的80%。结果表明，方案1和方案2剪力墙的侧向刚度均满足规范要求。

(3)振动周期的对比：周期比(即扭转周期与平动周期之比)是控制结构扭转的重要指标，反映了扭转刚度和转动惯量的分布情况。控制周期比(即控制扭转变形小于平动变形)是为了使结构布置合理有效，不产生过大的扭转效应。计算结果是t3(1.542 9)/t1(1.864 4)=0.827<0.9(方案1)和t3(1.451 0)/t1(1.692 9)=0.857<0.9(方案2)。t1和t3分别定义为振型1和振型3的振动周期，由结果来看方案1和方案2均符合规范要求。

(4)刚重比和剪重比的对比：根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，只有在竖向重力荷载作用下，结构发生整体失稳可能性较小。高层建筑稳定设计的目标是控制风荷载和水平地震作用下重力荷载引起的二阶效应。刚重比结果分别是：方案1 X方向为7.73，Y方向为7.71；方案2 X方向为8.66，Y方向为8.71。剪重比结果分别是：方案1 X方向为4.17%，Y方向为5%；方案2 X方向为4.72%、Y方向为5.40%。从中可以看出，两种方案X、Y方向的刚重比均>1.4，满足整体稳定要求。方案2的剪重比>0.048满足规范要求，方案1的剪重比不能满足规范要求。

3 结语

通过运用高层建筑结构抗震设计基本原则，使用有限元分析软件对某剪力墙结构的两种不同布置方案进行了对比，从对比中可看出剪力墙结构概念设计在建筑结构设计的应用。结果表明，在概念设计阶段，方案2更符合抗震设计基本原则，在结构响应方面优于方案1，由此可以看出剪力墙结构概念设计的重要性。