高層建筑剪力墻的影響因素分析

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計(jì)算層數(shù)選取15層至26層，墻體最小厚度取160mm，根據(jù)JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:抗震等級(jí)為三級(jí)的剪力墻結(jié)構(gòu)的截面厚度，不應(yīng)小于層高的1/25，且不應(yīng)小于160mm，故最小墻厚取160mm。在層數(shù)增多時(shí)，為保證墻肢軸壓比不會(huì)超限，通過增加剪力墻的墻厚來(lái)保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/2400不變。運(yùn)用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE進(jìn)行計(jì)算分析，得出墻厚、振動(dòng)周期、地震作用剪力、剛重比及剪重比這些參數(shù)隨層數(shù)的變化關(guān)系，從而分析層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響。選取結(jié)構(gòu)層數(shù)為15層、18層和21層為研究對(duì)象，層高分別取2.9，3.0，3.1，3.2，3.3，3.4m。同樣，為保證墻肢軸壓比不會(huì)超限，通過增加剪力墻的墻厚來(lái)保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/2400不變。運(yùn)用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE進(jìn)行計(jì)算分析，得出墻厚、振動(dòng)周期、剛重比及剪重比這些參數(shù)隨層高的變化關(guān)系，從而分析層高對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響。

層數(shù)影響分析

1墻厚隨層數(shù)的變化

從SATWE計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)運(yùn)用origin繪圖程序繪制出墻厚隨層數(shù)的變化曲線如圖2所示，可以看出，在保證結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變的情況下，剪力墻的墻厚隨結(jié)構(gòu)層數(shù)的不斷增加而增加，其中在圖形中可明顯看出，層數(shù)在15～21時(shí)，剪力墻墻厚隨結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加呈線性增加，層數(shù)在21～26時(shí)，剪力墻墻厚隨層數(shù)增加所增加的幅度明顯增大，呈非線性增加。JGJ3—2010規(guī)定，建筑物的高寬比是指建筑總高度與建筑物短向長(zhǎng)度(本例即Y方向的長(zhǎng)度)之比?？芍?，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)為15層時(shí)，該建筑物的高寬比為2.63，21層時(shí)，高寬比為3.93，26層時(shí)，高寬比為4.81，結(jié)合上面的討論可以知道，建筑物的高寬比在2.63～3.93時(shí)，隨著高寬比的增加，墻厚隨層數(shù)線性增加，即結(jié)構(gòu)最大層間位移角隨層數(shù)線性增加，建筑物層數(shù)超過21層時(shí)，建筑物的高寬比在3.93～4.81時(shí)，在隨著高寬比的增加，墻厚隨層數(shù)非線性增加，也即結(jié)構(gòu)最大層間位移角隨層數(shù)非線性增加?？梢钥闯觯诮ㄖ锏母邔挶却笥?時(shí)，隨著層數(shù)的增加，高寬比的增大，結(jié)構(gòu)的層位移角的增幅較大，因此在在層數(shù)較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度削弱明顯，需要加強(qiáng)建筑物的抗側(cè)剛度，這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的造價(jià)成本大幅增加，因此建議一般在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)盡量使得建筑物的高寬比不大于4，可很好控制建筑物的造價(jià)成本。

2振動(dòng)周期和地震剪力隨層數(shù)的變化

從SATWE計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)運(yùn)用origin繪圖程序繪制出振動(dòng)周期和地震作用基底剪力隨結(jié)構(gòu)層數(shù)的變化關(guān)系曲線如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出，在保證結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變的情況下，兩個(gè)方向的振動(dòng)周期和地震作用基底剪力都隨結(jié)構(gòu)層數(shù)和剪力墻墻厚的增加而增加，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度將有所減小，地震作用加大。

3剛重比和剪重比隨層數(shù)的變化

從SATWE計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)運(yùn)用origin繪圖程序繪制出剛重比和剪重比隨結(jié)構(gòu)層數(shù)增加的變化關(guān)系曲線如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，在保證結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變的情況下，兩個(gè)方向的剛重比和剪重比都隨結(jié)構(gòu)層數(shù)和剪力墻墻厚的增加而減小，說(shuō)明當(dāng)結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加時(shí)，通過增加剪力墻的墻厚來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，以保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角保持不變，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和安全造成不利的影響，且層數(shù)越多影響越大。

層高影響分析

以15、18和21層的結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，改變層高，通過增加剪力墻的墻厚來(lái)保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/2400不變，分別從墻厚、振動(dòng)周期、地震剪力、剛重比及剪重比這些參數(shù)隨層高的變化關(guān)系。由于X、Y兩個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果變化的趨勢(shì)相近，故本節(jié)重點(diǎn)對(duì)Y方向振動(dòng)周期、地震剪力、剪重比和剛重比等結(jié)果進(jìn)行研究分析。

1墻厚隨層高的變化

可以看出，在保持結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變的情況下，墻厚隨著結(jié)構(gòu)層高的增加呈線性增加。層高的增加使得剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度降低，且層高增加時(shí)，剪力墻墻厚的增長(zhǎng)幅度要大于改變層數(shù)時(shí)剪力墻墻厚的增長(zhǎng)幅度，為了更加確切地說(shuō)明墻厚增加與層高變化的關(guān)系，將層高增長(zhǎng)率與剪力墻墻厚的增長(zhǎng)率進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示，可以看出，相同層數(shù)時(shí)，剪力墻墻厚的增長(zhǎng)率隨著層高增長(zhǎng)率的增加呈非線性增加，墻厚的增長(zhǎng)率要大于層高的增長(zhǎng)率，同時(shí)，結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多時(shí)，墻厚的增長(zhǎng)率越大，通過以上可以說(shuō)明改變結(jié)構(gòu)的層高要比改變結(jié)構(gòu)的層數(shù)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度影響更加顯著，層高增加越多，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度減小的幅度越大。

2振動(dòng)周期和地震作用基底剪力隨層高的變化

從SATWE計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)運(yùn)用origin繪圖程序繪制出振動(dòng)周期和地震剪力隨結(jié)構(gòu)在層數(shù)為15、18和21層時(shí)隨層高增加的變化關(guān)系曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，在保證結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變的情況下，兩個(gè)方向的振動(dòng)周期和地震作用基底剪力都隨結(jié)構(gòu)層高和剪力墻墻厚的增加而增加，地震作用加大。

3剛重比和剪重比隨層數(shù)的變化

從SATWE計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)運(yùn)用origin繪圖程序繪制出剛重比和剪重比在層數(shù)為15層、18層和21層時(shí)隨隨結(jié)構(gòu)層高增加的變化關(guān)系曲線如圖10和圖11所示。從圖10和圖11可以看出，在保證結(jié)構(gòu)最大層間位移角不變的情況下，兩個(gè)方向的剛重比和剪重比都隨結(jié)構(gòu)層高和剪力墻墻厚的增加而減小，說(shuō)明當(dāng)結(jié)構(gòu)的層高增加時(shí)，通過增加剪力墻的墻厚來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，以保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角保持不變，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和安全造成不利的影響。

結(jié)語(yǔ)

1)在保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不變的情況下，增加結(jié)構(gòu)的層數(shù)同時(shí)增加相應(yīng)的剪力墻的墻厚，當(dāng)建筑物的高寬比小于4時(shí)，剪力墻的墻厚隨結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加呈線性增加，當(dāng)建筑物的高寬比大于4時(shí)，剪力墻的墻厚隨結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加呈非線性增加，即在層數(shù)較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)度削弱明顯，需要加強(qiáng)建筑物的抗側(cè)剛度，這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的成本大幅增加，因此建議一般在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)盡量使得建筑物的高寬比不大于4(JGJ3—2010規(guī)定A級(jí)高度剪力墻結(jié)構(gòu)的高寬比在7度區(qū)不宜超過6)，能夠控制建筑物的造價(jià)成本。

2)在保證結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不變的情況下，改變結(jié)構(gòu)的層高要比改變結(jié)構(gòu)的層數(shù)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度影響更加顯著，層高增加越多，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度減小的幅度越大。

3)結(jié)構(gòu)層數(shù)和結(jié)構(gòu)層高增加時(shí)，通過增加剪力墻的墻厚來(lái)保證最大層間位移角不變來(lái)調(diào)節(jié)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，結(jié)構(gòu)的剛重比和剪重比有所減小，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和安全造成不利的影響。（本文作者：胡孔鵬、陳道政 單位：合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院）