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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:抗震等級為三級的剪力墻結(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超限,通過增加剪力墻的墻厚來保證結(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超限,通過增加剪力墻的墻厚來保證結(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度(本例即Y方向的長度)之比。可知,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。可以看出,在建筑物的高寬比大于4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,會對結(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)為研究對象,改變層高,通過增加剪力墻的墻厚來保證結(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)果變化的趨勢相近,故本節(jié)重點(diǎn)對Y方向振動周期、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),剪力墻墻厚的增長幅度要大于改變層數(shù)時(shí)剪力墻墻厚的增長幅度,為了更加確切地說明墻厚增加與層高變化的關(guān)系,將層高增長率與剪力墻墻厚的增長率進(jìn)行對比分析,如表1所示,可以看出,相同層數(shù)時(shí),剪力墻墻厚的增長率隨著層高增長率的增加呈非線性增加,墻厚的增長率要大于層高的增長率,同時(shí),結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多時(shí),墻厚的增長率越大,通過以上可以說明改變結(jié)構(gòu)的層高要比改變結(jié)構(gòu)的層數(shù)對剪力墻結(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,會對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和安全造成不利的影響。
結(jié)語
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保證最大層間位移角不變來調(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,會對結(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)