袁 華

(中鐵十八局集團(tuán) 北京工程有限公司,北京 100162 )

目前,地震災(zāi)害已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn),由于地震的不可預(yù)見(jiàn)性,其造成的損傷是巨大的[1-2]。由于容易受到地震的破壞,結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)前需要采取必要的措施,同時(shí),需要布置一些耗能裝置來(lái)減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危害[3-4]。剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)都是增加框架剛度最有效的手段。目前,在許多高層建筑結(jié)構(gòu)中,剪力墻作為核心抗側(cè)力構(gòu)件,能夠大大提高框架的側(cè)向剛度,同時(shí)還可以承受豎向荷載。鋼支撐系統(tǒng)是一種新型的抗側(cè)力體系,具有質(zhì)量輕、加工制作方便及施工快捷等優(yōu)點(diǎn)。盡管鋼支撐系統(tǒng)比剪力墻系統(tǒng)剛度小,但是鋼支撐系統(tǒng)的自重較小,在地震作用下樓層的剪力更小[5-7]。

為闡明剪力墻系統(tǒng)和X型鋼支撐系統(tǒng)對(duì)多層建筑框架抗震性能的有利影響,筆者把剪力墻和X型鋼支撐布置在結(jié)構(gòu)的同一位置,以觀察框架柱承受的彎矩和剪力。

1 研究背景

剪力墻具有較好的抗側(cè)向荷載能力,能夠提高結(jié)構(gòu)框架的側(cè)向剛度,在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域具有廣泛的意義。剪力墻可根據(jù)材料、施工工藝和位置分為多種類(lèi)型:1) 木釘膠合板剪力墻;2) 金屬鉚釘膠合板剪力墻;3) 鋼筋混凝土剪力墻;4) 鋼筋CMU剪力墻;5) 未加固磚墻;6) 鋼筋加固的雙向磚墻;7) 雙釘方形剪力墻。剪力墻根據(jù)施工過(guò)程可分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩種類(lèi)型。剪力墻的布置位置是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,布置位置不同,質(zhì)量中心和剛度中心也不同。最小化質(zhì)量中心和剛度中心之間的距離能夠有效減少偏心率和扭矩。剪力墻主要從基礎(chǔ)標(biāo)高開(kāi)始建造,在建筑物的最大高度上保持最小厚度。通常,剪力墻的厚度為150～250 mm或更大。

鋼支撐系統(tǒng)主要用于抵抗包括風(fēng)和地震作用在內(nèi)的橫向荷載,支撐框架中的構(gòu)件用于承受軸向力。一般來(lái)說(shuō),支撐框架有中心鋼支撐和偏心鋼支撐兩種類(lèi)型。中心鋼支撐的抗側(cè)向力方法主要基于軸向受力。相反,偏心支撐框架是一種相對(duì)較新的抗側(cè)向力系統(tǒng),用于抵抗地震效應(yīng)。偏心支撐會(huì)受到剪力,為框架提供了更大的剛度。這里,采用中心鋼支撐進(jìn)行建模,用于與剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)進(jìn)行比較。

本研究將兩種體系的位移角、位移比、傾覆力矩和剪力等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比,總結(jié)兩種結(jié)構(gòu)體系的變形規(guī)律,彎矩和剪力的分配規(guī)律,可供類(lèi)似工程參考。

2 有限元模型分析

2.1 研究方法

有限元法是一種評(píng)估偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值方法,它將整個(gè)問(wèn)題域的離散化小規(guī)模部分組合起來(lái),并使用變分法中的能量方法,通過(guò)減少相應(yīng)的誤差函數(shù)來(lái)解決問(wèn)題。該方法側(cè)重于結(jié)構(gòu)分析、固體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱分析、電分析等[8-11]。使用ETABS軟件分析剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)以確定每個(gè)模型的力學(xué)行為和性能。

由于客戶(hù)的選擇不同,受設(shè)計(jì)理念、建筑視角等因素影響,住宅和商業(yè)等用途的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有豐富的多樣性。本研究選擇形狀簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),主框架的高度、面積、跨度及使用的材料保持不變。對(duì)于剪力墻系統(tǒng),在框架結(jié)構(gòu)某些梁柱節(jié)點(diǎn)處采用固定型鋼支撐,型鋼截面需符合最小長(zhǎng)細(xì)比。在相同位置布置剪力墻或鋼支撐,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,綜合對(duì)比結(jié)構(gòu)周期、位移角、位移比,以及框架承擔(dān)的剪力和彎矩,分析兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)平面24 m×48 m,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī))要求布置支撐或剪力墻(圖1),共20層,層高為3.5 m,結(jié)構(gòu)總高為70 m。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)

鋼支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)的三維模型見(jiàn)圖2,混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的三維模型見(jiàn)圖3。

圖2 鋼支撐混凝土框架結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)三維模型

混凝土柱截面800 mm×800 mm,混凝土梁框架梁300 mm×500 mm,次梁250 mm×450 mm,剪力墻厚250 mm,鋼支撐采用HW250×250的型鋼,材質(zhì)Q235B,混凝土等級(jí)為C40。地震烈度為7度(0.15 g),場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),設(shè)計(jì)分組為第一組。

本研究重點(diǎn)針對(duì)剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)對(duì)建筑抗震性能的影響展開(kāi)研究。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域,地震分析是非常復(fù)雜的部分,而考慮到地震的相應(yīng)特征,需要采用精確的過(guò)程來(lái)分析結(jié)構(gòu)框架力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)分析有兩種類(lèi)型:1) 靜態(tài)分析又稱(chēng)為等效靜力法,將地震力以歸一化的方式進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)建筑物重量計(jì)算總基底剪力;2) 動(dòng)態(tài)分析(在等效靜力法不能夠有效分析時(shí)使用),包括反應(yīng)譜分析、時(shí)程分析和推覆分析三種類(lèi)型,按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī))的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震計(jì)算。

3 結(jié)果分析

表1統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)模型的前8階振型,質(zhì)量參與系數(shù)已達(dá)到規(guī)范要求的90%,第一振型為Y向平動(dòng),第二振型為X向平動(dòng),第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。圖4將兩個(gè)結(jié)構(gòu)的周期進(jìn)行了對(duì)比。

表1 鋼支撐和剪力墻框架周期統(tǒng)計(jì)表

圖4 周期對(duì)比

由圖4可知,鋼支撐框架的周期比剪力墻框架的周期要大一些,說(shuō)明鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的剛度比剪力墻支撐框架的要小。由抗規(guī)的反應(yīng)譜圖形可知,結(jié)構(gòu)的地震作用系數(shù)處于曲線(xiàn)的下降段,周期越大,地震作用力就越小。由此可知,鋼支撐框架與剪力墻框架相比,其地震作用力更小,對(duì)起到抗震作用較為有利。

對(duì)鋼支撐框架的位移角和位移比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果詳見(jiàn)表2。對(duì)剪力墻框架的位移角和位移比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 鋼支撐框架的位移角和位移比統(tǒng)計(jì)表

表3 剪力墻框架結(jié)構(gòu)的位移角和位移比統(tǒng)計(jì)表

由表2和表3可知,兩種結(jié)構(gòu)的位移角和位移比都符合規(guī)范要求,X向和Y向的變形接近,說(shuō)明兩個(gè)方向的剛度接近,是一個(gè)規(guī)則結(jié)構(gòu)。X向由于結(jié)構(gòu)比較長(zhǎng),位移比比較小,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)很小。Y向的位移比則較大,1～3層和11～20層鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的位移比為1.15,比剪力墻框架的位移比要大。由此可見(jiàn),鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的抗扭能力比剪力墻框架結(jié)構(gòu)差。

鋼支撐框架和剪力墻框架的位移角對(duì)比情況見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 X向位移角對(duì)比圖

圖6 Y向位移角對(duì)比圖

由圖5和圖6可知,鋼支撐框架和剪力墻框架的在X向和Y向沿層高的變形規(guī)律基本一致,鋼支撐框架在沿層高的變形呈現(xiàn)出彎曲變形的形狀,剪力墻框架在沿層高方向呈現(xiàn)出剪切變形的形狀。在17層以下,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架的大,在17層以上,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架的小,這是由兩種結(jié)構(gòu)體系的抗水平力的區(qū)別決定的。

對(duì)鋼支撐框架柱和支撐分別統(tǒng)計(jì)傾覆力矩及框架柱的彎矩比(表4)。

表4 鋼支撐框架柱傾覆力矩及彎矩比統(tǒng)計(jì)

對(duì)剪力墻框架柱和剪力墻分別進(jìn)行傾覆力矩及框架柱的彎矩比統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 剪力墻框架柱傾覆力矩比及彎矩統(tǒng)計(jì)

由表4和表5可知,由于X向的框架柱數(shù)量較多,X向的框架柱承受的傾覆力矩比Y向大,符合框架柱和支撐(剪力墻)按剛度分配彎矩的原則。其對(duì)比見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 框架柱X向傾覆力矩比對(duì)比圖

圖8 框架柱Y向傾覆力矩比對(duì)比圖

由圖7和圖8可知,X向和Y向剪力墻框架柱的傾覆力矩都比鋼支撐框架的大,說(shuō)明剪力墻的剛度比鋼支撐大,剪力墻承擔(dān)的彎矩比鋼支撐的大。沿層高方向,框架柱承擔(dān)的彎矩逐漸增大,剪力墻框架結(jié)構(gòu)在底部的彎矩約70%由剪力墻承擔(dān),鋼支撐框架結(jié)構(gòu)在底部的彎矩約40%是由鋼支撐來(lái)承擔(dān)。

對(duì)鋼支撐框架柱和支撐分別進(jìn)行剪力及框架柱剪力比統(tǒng)計(jì)(表6)。

表6 鋼支撐框架柱剪力及剪力比統(tǒng)計(jì)

對(duì)剪力墻框架柱和剪力墻分別進(jìn)行剪力及框架柱的剪力比統(tǒng)計(jì)(表7)。

表6和表7中,在結(jié)構(gòu)的頂層框架柱的剪力加上剪力墻的剪力并不等于總剪力,是由于軟件統(tǒng)計(jì)剪力時(shí),采用的是振型解法,各個(gè)振型的剪力經(jīng)過(guò)CQC組合后,已經(jīng)使代表符號(hào)的正負(fù)號(hào)丟失了。由表4和表5中的彎矩符號(hào)也可知,在結(jié)構(gòu)的頂部存在剪力反號(hào)的現(xiàn)象。其對(duì)比見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 框架柱X向剪力比對(duì)比圖

圖10 框架柱Y向剪力比對(duì)比圖

由圖9和圖10可知,X向和Y向剪力墻框架柱的剪力都是鋼支撐框架的大,說(shuō)明剪力墻的剛度比鋼支撐大,剪力墻承擔(dān)的剪力比鋼支撐的大。沿層高方向,底層框架柱承擔(dān)了較大的剪力,其余層框架柱承擔(dān)的剪力逐層增大,剪力墻框架結(jié)構(gòu)在底部的剪力約85%由剪力墻承擔(dān),鋼支撐框架結(jié)構(gòu)在底部的剪力約35%由鋼支撐承擔(dān),雖然結(jié)構(gòu)的總體指標(biāo)相差不大,但是內(nèi)力的分布是有較大差別的,剪力墻的彎矩和剪力都可以由剪力墻傳給基礎(chǔ),鋼支撐的彎矩和剪力都是由支撐傳給框架柱,再由框架柱傳給基礎(chǔ),與支撐相連的框架柱受力較大,剪力墻框架則情況相反。

在實(shí)際工程中,對(duì)于剪力墻框架結(jié)構(gòu),此案例的框架柱剪力不滿(mǎn)足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于0.2g抗震等級(jí)的要求,需要按規(guī)范對(duì)剪力進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于鋼支撐框架,需要按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行無(wú)支撐模型的補(bǔ)充分析,筆者旨在研究?jī)煞N體系的受力特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

為了研究剪力墻系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)在地震作用下表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為,筆者對(duì)同一位置采用剪力墻或鋼支撐的鋼筋混凝土框架進(jìn)行了簡(jiǎn)化數(shù)值分析,得到以下結(jié)論:1) 鋼支撐混凝土框架和剪力墻框架的周期相近,鋼支撐混凝土框架的周期略大,反映出剪力墻框架結(jié)構(gòu)的剛度比鋼支撐混凝土框架的剛度大。鋼支撐框架與剪力墻框架相比,其受到地震的作用力更小,對(duì)抗震有利。2) 通過(guò)對(duì)比鋼支撐混凝土框架和剪力墻框架的位移角,在17層以下,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架大;在17層以上,鋼支撐框架的位移角比剪力墻框架的小。鋼支撐混凝土框架在高度方向上是彎曲變形,剪力墻框架則是剪切變形。3) 由于剪力墻的剛度比鋼支撐框架大,剪力墻框架柱承擔(dān)的傾覆力矩比鋼支撐框架的大,沿層高方向,框架柱承擔(dān)的彎矩會(huì)逐層增大。4) 由于剪力墻的剛度比鋼支撐框架大,剪力墻框架柱承擔(dān)的剪力比鋼支撐框架的大,沿層高方向,框架柱承擔(dān)的剪力逐層增大。5) 鋼支撐質(zhì)量比剪力墻小,在高層或超高層中可以減小框架柱的軸壓比,由于鋼支撐的剪力和彎矩需要傳給框架柱,給框架柱增加了軸力,因此在實(shí)際工程中需通過(guò)計(jì)算方可確定方案的可行性。