8度地震区高层建筑短肢剪力墙结构的判定及设计探讨.pdf

第一二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 8 度地震区高层建筑短肢剪力墙结构的判定及设计探讨 张举涛1莫庸2金建民1 1 ．甘肃省建筑设计研究院，兰州7 3 0 0 3 0 ，2 ．甘肃省建筑科技专家委员会，兰州7 3 0 0 0 0 提要本文讨论了8 度地震区高层建筑短肢剪力墙及短肢剪力墙结构的判定问题，从一个工程实例出发，提出按不 同高度用不同的底部地震倾覆力矩比判定短肢剪力墙结构，并提出了在短肢剪力墙结构设计中应注意的一些问题。 关键词高层建筑短肢剪力墙短肢剪力墙结构判定 1 前言 近年来，短肢剪力墙较多的高层剪力墙结构得到了一定的应用和发展，该种结构形式由于墙肢长度 可长可短，数量可多可少，剪力墙的布置更为灵活，更能符合建筑功能的要求，受到了建筑师和建设方 的欢迎。 高层建筑混凝土结构技术规程 J G J 3 2 0 0 2 瞄。 以下简称“高规” 规定剪力墙结构中，当短肢 剪力墙较多时，应布置筒体 或一般剪力墙 ，形成短肢剪力墙与简体 或一般剪力墙 共同抵抗水平 力的剪力墙结构，并采取一定的措施，其中包括最大适用高度在8 度抗震设计时不应大于6 0 m ，由于此 条规定对短肢剪力墙结构在8 度地震区高层建筑中的使用限制较大，而“高规”未明确指出何为短肢剪 力墙较多的剪力墙结构 以下简称短肢剪力墙结构 ，各地方规定也不尽相同，不同人士更有不同的说 法，所以在应用中产生了一些争议。本文试图提出短肢剪力墙结构判定的量化指标，以供设计参考。 2 有关文献的规定 2 ．1 “高规”的规定 高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构，当短肢剪力墙较多时，其承受的第一振型 底部地震倾覆力矩不宜大于结构总底部地震倾覆力矩的5 0 ％，其最大适用高度应比剪力墙结构的规定值 适当降低，8 度抗震设计时不应大于6 0 m 。 短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比 截面高厚比 为5 ’8 的剪力墙，一般剪力墙是指墙肢截 面高厚比大于8 的剪力墙。 2 ．2 “北京细则”“1 的规定 “北京细则”对高层短肢剪力墙结构有以下规定 1 短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5 ’8 的剪力墙，当墙肢截面高度与厚度之比虽为 5 ’8 ，但墙肢两侧均与较强的连梁 连梁净跨与截面高度之比耋2 ．5 相连时或有翼墙 翼墙长度不应小 于厚度的3 倍 相连时，可不作为短肢剪力墙。 2 短肢剪力墙结构的定义，按结构中短肢剪力墙承受的竖向荷载与总竖向荷载的比例来确定， 当由短肢剪力墙负荷的楼面面积与全部楼面面积超过5 0 ％时，应定义为短肢剪力墙结构。 3 抗震设计的短肢剪力墙结构，筒体和一般剪力墙承受的第一振型倾覆力矩不宜小于结构底部 倾覆力矩的5 0 ％，任一层短肢剪力墙承受的水平剪力不应小于基底剪力的2 0 ％。 2 ．3 “上海指南”H 1 的规定 “上海指南”用短肢剪力墙截面面积与同一层中所有剪力墙截面面积的比例来定义“部分短肢剪力 墙结构”，当该比例不大于2 0 ％时，可以按全部落地剪力墙结构控制建筑物高度，但短肢剪力墙部分的 抗震措施仍应按短肢剪力墙的规定执行。 当采用短肢剪力墙比例进行判定时，应在建筑物的两个主轴方向分别计算，取较大的比例作为控制 条件。 张举涛，男，1 9 6 8 ．2 出生，工学学士，高级工程师 - 4 5 9 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 2 ．4 “广东规定”哺1 的规定 1 剪力墙截面高厚比大于4 、小于8 时为短肢剪力墙。当剪力墙截面厚度不小于层高的1 ／1 5 、 且不小于3 0 0 衄，截面高厚比大于4 时仍属一般剪力墙。 2 具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构指短肢墙的截面面积占剪力墙总截面面积5 0 ％以上，其房 屋的最大适用高度应比“高规”规定降低2 0 ％。 2 ．5 “高规讨论”哺1 的建议 该建议指出短肢剪力墙结构要提出量化判断指标是困难的，一般情况下，短肢剪力墙结构中短肢 剪力墙承受的倾覆力矩可占结构底部总倾覆力矩的4 0 ’5 0 ％。 2 ．6 各文献规定的差异 由上文可见，各文献对短肢剪力墙结构的判定方法不一样，有地震倾覆力矩比、负担面积比、截面 面积比三种方式，具体的比值也有差异。 “北京细则”按短肢剪力墙负荷的楼面面积比定义短肢剪力墙结构，该比例界限为大于5 0 ％。 “上海指南”按短肢剪力墙截面面积比定义短肢剪力墙结构，该比例界限为大于2 0 ％。 “广东规定”与“上海指南”的方法基本相同，但把比例界限放宽为大于5 0 ％。 “高规讨论”按短肢剪力墙承受的倾覆力矩比定义短肢剪力墙结构，该比例界限为大于4 0 ％。 3 短肢剪力墙的判定 高规规定短肢剪力墙是指墙肢截面高厚比为5 ～8 的剪力墙，对一字形墙肢的判定很明确，对 两肢或多肢的判定要复杂一些。 S A T w 是这样判定的对“L ”形、“T ”形、“十”字形等双肢截面，双肢截面高厚比均≤8 时，为短 肢剪力墙，任一肢截面高厚比均 8 时，两肢均判定为～般剪力墙对“Z ”形、“U ”形、“F ”形、“E ” 形等多肢截面，腹肢无论截面高厚比为多少，均判定为一般剪力墙，翼缘肢截面高厚比≤8 时，根据与 其相连的腹肢截面高厚比确定类别，当腹肢截面高厚比≤8 时，翼缘肢判定为短肢剪力墙，当腹肢截 面高厚比 8 时，翼缘肢判定为一般剪力墙。 文献Ⅲ与S A T l j | 『E 对短肢剪力墙的判定摹本一致，可简述为对于与长肢相连的短墙肢，可不认为是 短肢剪力墙，只有当每个方向的墙肢截面高度与厚度之比均为5 ’8 时，才能视为短肢剪力墙。 不过，当墙厚较大时，以截面高厚比定义短肢剪力墙是龠恰当 同样长度的剪力墙，由于厚度不同 而人为的分成一般剪力墙或者短肢剪力墙是否合适 在结构设计中，剪力墙的长度通常由建筑布置所决 定，剪力墙的厚度通常由结构计算确定，将一般剪力墙加厚，有可能使其变成了短肢墙。如果一道墙的 厚度为2 0 0 ，高度为2 0 0 0 ，高厚比为1 0 ，它是一般剪力墙，当把它的厚度变为4 0 0 时，高度不变仍为 2 0 0 0 ，高厚比为5 ，它就变为短肢剪力墙了，道理似乎说不通。试想一下，如果把4 0 0 厚的墙从中间纵 向分缝变为两道并列的2 0 0 厚的墙，它就变回一般剪力墙了，显然2 道2 0 0 厚的剪力墙的受力性能不如 一道4 0 0 厚的剪力墙。“北京细则”认为墙肢两侧均与较强的连梁相连或有翼墙相连时，可不作为短肢 剪力墙；“广东规定”把较厚短肢剪力墙的高厚比限值进行了放宽；文献⋯把剪力墙截面厚度b w ≥H ／1 5 H 为层高 、b w ≥3 0 0 衄且截面高度h w ≥2 0 0 0 咖的墙，按一般剪力墙对待，都似乎有一定道理。 4 短肢剪力墙结构的判定 “高规”按短肢墙承受的第一振犁底部地震倾覆力矩的比例 以下简称“倾覆力矩比” 来确定是 否为短肢剪力墙结构，主要是指结构平面中部为剪力墙构成的薄壁筒体 楼电梯间等 ，其余部位基本 为短肢剪力墙的一种结构形式。 在短肢剪力墙结构中，短肢墙承受的“倾覆力矩比”不宜大于5 0 ％，此比值可认为是判定短肢剪力 墙结构的上限。下限规范没有规定，要求设计人灵活掌握，一般认为当短肢墙较少时，如短肢墙承受的 倾覆力矩比小于1 5 ％～4 0 ％，可以按普通剪力墙结构设计，此比值可认为是判定短肢剪力墙结构的下限， 但下限不是一个固定值，而是一个变化的数值，对结构的判定带来不便。 4 ．1 一个工程实例某短肢剪力墙结构在不同“倾覆力矩比”下的计算和分析 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 4 ．1 ．1 工程概况 兰州市某商住楼，地下1 层，为人防地下室，地上3 1 层，1 ’4 层为商业用房，层高4 ．2 m ，5 3 1 层 为住宅，层高3 ．0 m ，上部结构选用剪力墙结构。本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为 丙类，场地类别为I I 类，基础选用筏形基础，持力层为卵石层，抗震设防烈度为8 度，设计地震基本加 速度为0 ．2 9 ，设计地震分组为第二组，从0 ．0 0 0 到主要屋面，结构主体高度为9 7 ．8 m ，剪力墙的抗震 等级为一级。剪力墙基本均匀布置，除核心区楼电梯问、四角部、外墙拐角处布置了一般剪力墙之外， 其它部位由于建筑平面布局的要求布置了一定数量的短肢剪力墙，图l 为标准层结构平面图 模型1 ， 由于要采用S A T w E 程序计算，所以短肢剪力墙的判定以s A T w E 为准，涂黑的墙体为短肢剪力墙。 1 - UL l 0 l0■ r ■矿 U I 图1 模型l 标准层结构平面图 4 ．1 ．2 模型设置情况 为了对比不同高度、不同“倾覆力矩比”对结构的影响有何差异，在模型1 的基础上构造了模型 2 ’6 共6 种模型进行对比计算，按高度不超过1 0 0 m 、8 0 m 、6 0 m 分别形成2 种模型，为增加可比性，同 一高度的结构不改变墙厚，只改变墙体数量及长度，以获得不同的“倾覆力矩比”，不同高度的结构， 墙厚、数量及长短均有所不同，主要剪力墙厚度见表1 ，其中模型5 、6 剪力墙的抗震等级为二级，其 它均为一级。图2 ’6 分别为模型2 ’6 标准层结构平面图。 4 ．1 ．3 小震弹性计算 采用S A T l j l 『E 2 0 0 6 版 软件对各型结构进行了小震作用下的结构计算，考虑扭转藕连和偶然偏心， 刚性楼板假定，侧移刚度取地震剪力与地震层间位移之比，嵌固端取在0 ．0 0 处，主要计算结果见表 2 ，其中，X 向为纵向，Y 向为横向，抗倾比为地震作用下抗倾覆力矩与倾覆力矩之比，剪重比均为地震 剪力调整前的数值，由于底部几层倾覆力矩比相差不大，为节省篇幅，仅摘录底部二层的数据。 由参由亩参血血毒由 图2 模型2 标准层结构平面图 ．4 6 1 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 图3 模型3 标准层结构平面图 图4 模型4 标准层结构平面图 图5 模型5 标准层结构平面图 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 干．千。 千。干。千一 ●-I ●■●．jI ■- 1ll 0 I I衫 [ 圈6 模型6 标准层结构平面图 表1 主要剪力墙厚度 结构主体 厚度 聊 模型总层数所在的层数 高度 m 山墙及长横墙外纵墙短横墙及内纵墙楼电梯间分隔墙 1 8 ～3 1 F3 0 02 5 02 5 02 0 0 模型1 、2 9 7 ．83 l5 ～1 7 F3 5 03 0 03 0 0 2 0 0 1 ～4 F4 5 04 0 04 0 02 0 0 1 4 ～2 5 F2 5 02 5 02 5 02 0 0 模型3 、4 7 9 ．82 55 ～1 4 F3 0 03 0 03 0 02 0 0 1 ～4 F4 0 03 5 03 5 02 0 0 1 2 ～1 8 F2 0 02 0 02 0 02 0 0 模型5 、6 5 8 ．81 8 5 ’1 1 F2 5 0 2 5 0 2 5 02 0 0 l ～4 F3 0 03 0 03 0 02 0 0 表2 小震弹性计算主要结果 结构主体高度 m 9 7 ．87 9 ．85 8 ．8 模型 模型1 模型2模型3模型4模型5模型6 2 F3 2 ．0 72 1 ．1 04 0 ．0 43 l 1 34 1 ．3 93 5 ．8 1 柱及短肢墙倾 X 向 l F3 1 ．7 22 0 。9 13 9 ．3 l3 0 ．4 04 1 ．3 73 5 ．5 l 覆力矩比 ％ 2 F2 9 ．1 01 7 ．1 63 3 ．7 22 8 ．4 64 5 ．9 53 9 ．9 9 Y 向 1 F2 9 ．5 71 7 ．8 33 3 ．1 9 2 7 ．5 8 4 5 ．5 83 9 ．8 5 X 向 9 ．6 29 ．1 91 0 ．8 41 0 ．7 91 1 ．7 71 1 ．3 4 ． 抗倾比 Y 向4 ．5 54 ．1 54 ．8 35 ．1 35 ．7 05 ．6 2 X 向 6 ．8 28 ．5 07 ．8 68 ．6 79 ．5 59 ．9 9 刚重比 Y 向 6 ．3 58 ．0 18 ．8 18 ．1 l9 ．3 59 ．3 3 x 向2 ．9 8 3 ．1 23 ．4 03 ．3 74 ．1 84 ．3 4 剪重比 ％ Y 向 3 ．0 33 ．3 23 ．6 73 ．4 04 ．1 54 ．2 1 周期比 T t ／T 1 O ．7 7 0 ．7 60 ．7 70 ．8 00 ．7 9O ．8 0 最大层间 x 向 1 ／1 1 7 51 ／1 2 6 51 ／1 2 1 91 ／1 3 1 71 ／1 2 1 81 ／1 2 2 2 位移角 Y 向 l ／9 3 71 ／1 2 2 21 ／1 0 1 7l ／1 2 0 9 1 ／1 0 9 9 l ／1 0 8 3 X 向1 ．0 8 1 ．1 71 ．1 01 ．1 31 ．1 l1 ．1 l 最大位移比 Y 向1 ．3 41 ．3 1 1 ．4 01 ．2 31 ．2 9 1 ．2 9 根据以上计算结果，可以看出 1 除模型1 “Y ”向最大层间位移角之外，其它指标均符合规范要求。 2 对相同高度的结构，随着短肢墙承受的“倾覆力矩比”的减小，结构的剪重比增加、最大层 间位移角和最大位移比减小，体现了结构刚度增加的影响。 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 3 短肢墙承受的“倾覆力矩比”的大小对6 0 m 和8 0 m 高度的结构有一定的影响，对1 0 0 m 高度的 结构影响较大，特别是对剪重比和层间位移角的影响较大，取用较低的“倾覆力矩比”时，剪重比和层 间位移角更容易控制。 4 ．1 ．4 几个比值的比较 为便于对比，将各模型中短肢剪力墙所占的底部最大“倾覆力矩比”、截面面积比、负荷面积比列 于表3 。 表3 比值对比表 模型模型1 模型2模型3模型4模型5模型6 最大倾覆力矩比 ％X 向或Y 向 3 2 ．0 72 1 ．1 04 0 ．0 43 1 ．1 34 5 ．9 53 9 ．9 9 截面面积比 ％X 向 Y 向 3 9 ．7 42 8 ．6 54 3 ．5 03 3 ．6 65 1 ．6 54 7 ．2 9 负荷面积比 ％X 向 Y 向 4 6 ．0 03 4 。8 04 6 ．4 53 8 ．0 05 5 ．9 84 5 ．3 0 从表中可见， 1 模型l 、3 、5 短肢剪力墙的底部最大“倾覆力矩比”分别为3 2 ．0 7 ％、4 0 ．0 4 ％、4 5 ．9 5 ％，可近 似取整为3 5 ％、4 0 ％、4 5 ％，其短肢剪力墙所占截面面积比分别为3 9 ．7 4 ％、4 3 ．5 0 ％、5 1 ．8 5 ％，约在4 0 ’5 0 ％， 其短肢剪力墙负荷面积比分别为4 6 ．0 0 ％、4 6 ．6 5 ％、5 5 ．9 8 ％，约在5 0 ％左右。 2 模型2 、4 、6 的底部最大“倾覆力矩比”分别为2 1 ．1 0 ％、3 1 ．1 3 ％、3 9 ．9 9 ％，可近似取整为2 0 ％、 3 0 ％、4 0 ％，其短肢剪力墙所占截面面积比分别为2 8 ．6 5 ％、3 3 ．9 4 ％、4 7 ．3 8 ％，均小于5 0 ％，其短肢剪力墙 负荷面积比分别为3 4 ．8 0 ％、3 8 ．0 0 ％、4 5 ．3 0 ％，也均小于5 0 ％。 3 若以“倾覆力矩比”作为判定一个结构是否为短肢剪力墙结构的标准，当结构高度分别不超 过1 0 0 m 、8 0 m 、6 0 m 时，控制“倾覆力矩比”分别不大于2 0 ％、3 0 ％、4 0 ％，则可控制短肢剪力墙负荷面 积比、截面面积比均不超过5 0 ％。 4 通常情况下，短肢剪力墙的“倾覆力矩比”要小于截面面积比，截面面积比要小于负荷面积 比。 4 ．2 短肢剪力墙结构的判定标准 根据以上计算结果，建议按结构主体高度和“倾覆力矩比”作为判定结构是否为短肢剪力墙结构的 标准，见表4 。 表4 短肢剪力墙结构判定表 结构主体 倾覆力矩比 ％ 高度 m 5 0 ％ 8 0 ～1 0 0 一般剪力墙结构短肢剪力墙结构超限高层建筑超限高层建筑不宜采用 6 0 ～8 0 一般剪力墙结构一般剪力墙结构短肢剪力墙结构 超限高层建筑不宜采用 80 ．50 ．6 “高规”7 ．2 ．1 4 条 短肢剪力墙所有部位 5 ～8O ．5O ．6 “高规”7 ．1 ．2 条 一字形短肢剪力墙 5 ～8 “高规”7 ．1 ．2 条 一字形弱短肢剪力墙所有部位 3 ～5O ．4O ．5 “高规”7 ．2 ．5 条 一字形小墙肢 4 时，可判定为一般剪力墙。 参考文献 [ 1 ] 建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ，中国建筑工业出版社，2 0 0 1 [ 2 ] 高层建筑混凝七结构技术规程 J G J 3 2 0 0 2 ，中国建筑工业出版社，2 0 0 2 [ 3 ] 北京市建筑设计技术细则，北京市建筑设计标准化办公室，2 0 0 4 [ 4 ] 超限高层建筑工程抗震设计指南，同济大学出版社，2 0 0 5 [ 5 ] 广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程 J G J 3 2 0 0 2 补充规定，中国建筑工业出版社，2 0 0 5 [ 6 ] 黄小坤，高层建筑混凝土结构技术规程 J G J 3 2 0 0 2 若干问题讨论，中国建筑科学研究院，2 0 0 4 [ 7 ] 张维斌，多层及高层钢筋混凝上结构设计释疑及工程实例，中国建筑工业出版社，2 0 0 5 [ 8 ] 建筑结构技术通讯，2 0 0 7 ．9