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剪力墙结构设计在高层建筑中应用

作者:临沂鹏程木业  来源:http://www.jianliqiang.net  发布时间:2020-08-24 08:28     浏览次数 :

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  剪力墙结构设计在高层建筑中应用

  梁杵兴

  广州智海建筑设计有限公司第一设计所510000

  摘要:剪力墙结构具有结构度大、钢用量较少、整体性好、在室内能够实现无露梁及露柱、美观外形等优点,在建筑中应用越来越广泛。本文以某小区剪力墙结构为例,分别对剪力墙结构优化前后对比得到了普遍的改善,以供参考。

  关键词:高层建筑;结构优化;剪力墙
 

剪力墙


  1、工程概况

  广州市某住宅小区,地上18层结构为纯剪力墙结构,地下一层,建筑高度为53.5m,项目总建筑面积约为7746.4m2。地下室层高为3.6m,其余层高均为3.0m。室内外高差300mm。本工程项目以50年作为基准期,结构重要性系数取1.0,场地类别属三类。7 度设防,地震加速度为0.10g,地震分组为第一组,水平地震影响系数0.08,特征周期为0.45。本工程为总高度54m 剪力墙结构,属于A 级高度房屋,剪力墙结构抗震等级是三级。

  2、设计参数选取

  设计参数正确选取直接影响结构计算的准确性,为使目标计算模型最大限度模拟实际工程真实情况,对软件中要进行输入各类参数精确,依据最新规范根源出处进行设置,SATWE 计算结果有效性是建立在计算参数正确合理性基础上,重要参数最大地震作用方向,本工程该数值小于15;振型组合数15;结构基本周期,在进行结构设计前不能预先确定,利用软件中缺省值进行试算;周期折减系数,结合非承重墙体布置数量,周期折减系数取为规范推荐值0.9;连梁折减系数0.7;连梁折减系数,梁刚度放大系数在1.0-2.0 区间内自由取值。SATWE 计算软件自动判断中梁及边梁并加以区分,对符合要求中梁刚度进行放大,程序会自动计算。

  3、优化前后方案整体性能对比

  3.1 结构模型对比为得到较好研究效果,本文设计两个结构方案均满足规范。根据上文总结对剪力墙数量和布置优化理论和方法,对第一个结构方案进行优化。根据剪力墙“对称、金角银边、均勾、分散”优化原则,剪力墙布置在角部对结构最优,其次是周边,对墙梁板截面尺寸及位置,软件计算参数等多方个方面对该方案进行优化。保留刚度变化位置、楼梯间、电梯间、角部周边部分有利于结构部分剪力墙,将剪力墙墙肢尽量做成工型、T 型,削弱结构中心部分墙肢刚度,适当调整部分剪力墙墙肢长度,将优化后各构件及布置整合而成为优化后结构模型。

  3.2 结构动力特性分析

  3.2.1 周期经过SATWE 有限元计算后检查计算结果合理性后,从文本文件输出中“周期振型地震力”项目中找到两个模型周期数值,通过优化数据可以看出优化前结构周期均处于0.0432-1.2359 范围内,优化后结构周期均处于0.0621-1.6367 范围内,在各个阵型工况下经优化后结构周期较之前周期普遍得到延长。针对于结构平动系数,优化前方案结构属于单一方向纯平动情况很少,推定结构扭转效应明显,优化后结构结构振动情况均己调整为纯X 方向或纯Y 方向平动,扭转效应较弱。优化后模型振动明显优于前者。

  3.2.2 振型根据振型分解反应谱法计算出两模型结果如下:原模型X 向有效质量系数为99.50%,Y 向有效质量系数为99.50%;优化后模型X 向有效质量系数为99.50%,Y 向有效质量系数为99.50%;优化前后模型有效质量系数均满足规范要求。本文取结构前6 个有代表性的振型进行叠加得到结构质心振动简图,对于优化前投影阵型,两个方向摆动幅度与大致图形相似,但Y 方向投影阵型与X 方向投影阵型相比更为收敛;对于优化后投影阵型,两个方向摆动幅度与大致图形相似度极高,两方向投影阵型比较收敛。两模型在两个方向刚度相差不大,但优化前模型与优化后模型振动相比阵型更加发散,判断优化后结构更利于抗震。

  3.3 结构变形特性分析

  3.3.1 层间位移角在SATWE 计算结果文本文件中,对各种工况作用下层间位移角数据均有显示,在风荷载及地震作用工况下进行优化前后结构层间位移角,风荷载工况下本结构X 方向层间位移角远远小于Y 方向层间位移角;地震工况下引起层间位移角数值都比较接近,说明两方向刚度分配合理。风荷载作用下最大层间位移角远远小于地震作用下层间位移角,两模型都是在地震作用下工况下出现最大层间位移角,说明在本工程中地震作用是结构性能明显控制变量。地震工况下原模型在两个方向最大层间位移角分别为1/1689 和1/1586,与规范给出层间位移角限值1/1000 存在差距,说明整体刚度偏大,安全储备过多。优化后结构地震工况下两方向最大层间位移角分别为1/1324 及1/1221,相对于优化前模型数值有所增加,满足规范要求。

  3.3.2 位移比根据规范要求,本工程位移比不宜超过1.2。位移比能有效保证结构平面规则性,使结构可以避免扭转。两模型数值都在1.06-1.22 范围内,最大位移比均满足规范上限1.5 要求。优化前模型在XY 两个方向最大位移比存在一定差距,优化后模型两个方向位移比基本相同且己控制在1.2 范围内,表明经过优化后结构平面较优化前规则性更强。

  3.4 结构内力特性分析

  3.4.1 墙肢轴压比SATWE 软件采用数学微元法进行处理计算,将全部不规则墙肢切割为无数矩形微元墙段,对各矩形截面轴压比进行计算,对所有结果进行微分求解其总体墙轴压比。

  本工程剪力墙为三级抗震墙,剪力墙墙肢轴压比限值为0.6,本文选取优化前模型和优化后模型结构最底层轴压比进行比较,前者各墙肢轴压比均在0.20-0.45 范围间,优化后者墙肢轴压比控制在0.33-0.60 范围间,满足规范要求,可以达到预期延性破坏。

  3.4.2 层间内力分析分析结构内力前对比结构各楼层单位面积质量分布。结构总计算内力包括荷载作用下内力计算和在地震工况下内力计算,内力大小直接影响计算配筋大小,影响构件控制截面及混凝土强度。实现延性剪力墙强墙弱梁、强剪弱弯设计原则。结构在地震作用下层间剪力和弯矩值进行统计。

  通过结构优化,结构总重量减轻且都处在规范的推荐值之内,对结构性能很有利。结构重量减轻会直接减小结构内力降低结构构件计算配筋,同时还能降低结构地震力,可见结构优化设计成效好。

  4、结论

  在结构动力特性方面,通过对优化前后结构由结构自振周期对比可知,当结构自振周期比规范上周期经验公式计算所得结果小,说明结构整体刚度偏大。结构在两个方向上平动周期不接近时,说明结构XY 向刚度存在一定差异,需要进行修改。在满足规范前提下通过减少部分剪力墙使刚度降低,结构增大周期。本工程最大层间位移角影发生在地震作用下,说明地震对7 度区高层建筑结构性能起控制作用。在结构内力特性方面,如结构轴压比与规范限制偏差较大时,说明结构没有充分发挥剪力墙力学性能。结构轴压比越接近于规范限值,结构越经济。

  参考文献:

  [1]南建林,云武.混凝土剪力墙结构类型的选择[J].建筑结构学报,2012,36(10):28-34.

  [2]钟建兴.关于高层住宅剪力墙结构结构设计的一些探讨[J].企业科技与发展,2010,16(26):124-126.

  [3]王涛.高层住宅剪力墙结构结构设计与研究[J].山东大学学报,2008,10(7):106-108.

  [4]王全凤.剪力墙最优刚度及其计算机实现[J].华侨大学学报,1999,20(3):249-253.

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