剪力墙的布置

第 41 卷 增刊 2011 年 4 月 建 筑 结 构 Building Structure Vol． 41 Apr． S1 2011 浅谈建筑结构中剪力墙的布置 刘昌军1， 李海洲2 (1 山东省城建设计院，济南 250021; 2 上海林同炎李国豪土木咨询有限公司山东分公司，济南 250100) ［摘要］ 提出将剪力墙结构中剪力墙布置过程分解为层间位移角调整、层间位移比调整、周期比调整三个步骤，并 结合具体工程，对每一步骤中如何调整剪力墙布置进行了讨论，使剪力墙的布置有章可循。 ［关键词］ 剪力墙布置;层间位移角;层间位移比;周期比 中图分类号:TU398． 7 文献标识码:A 文章编号:1002-848X(2011)S1-0683-03 Simple discussion on shearwall layout in structure Liu Changjun1，Li Haizhou2 (1 Shandong Urban Construction Design Institute，Jinan 250021，China; 2 Shandong Branch Lin Tung-Yen ＆ Li Guo-Hao Consultants Shanghai Ltd．，Jinan 250100，China) Abstract:The shearwall layout process in structure will be divided into three steps:the story drift angle adjustment，story drift ratio adjustment and vibration period ratio adjustment． With an actual structure，the shearwall layout was discussed detailed in each steps and the layout method was summarized． Keywords:shearwall layout;story drift angle;story drift ratio;vibration period ratio 0 前言 剪力墙的长度、位置对结构的层间位移角、扭 转为主的第 1 自振周期 Tt 与平动为主的第 1 自振 周期 T1 的比值(以下称周期比) ，以及楼层竖向构 件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的 比值(以下称位移比)有显著影响，在有剪力墙的 结构中，结构调整的实质就是反复调整剪力墙布 置，并反复计算，使结构的各项指标满足规范要 求［1］。为提高剪力墙布置的有效性，本文将深入分 析剪力墙布置对结构各项指标的影响，并针对各项 指标提出相应的剪力墙布置方法，使剪力墙布置有 明确的方向性。 1 剪力墙布置一般原则 总的来说，剪力墙布置应遵循“对称、均匀、周 边、连续”的原则，结构调整应优先采用综合调整措 施，如调整周边剪力墙，既可以改变结构刚度从而 影响结构位移，也可以加大结构的抗扭转刚度，从 而减小位移比并减小扭转周期。为进一步讨论剪 力墙是如何影响结构的各项指标，将剪力墙布置分 为三步: 第一步:剪力墙初步布置。剪力墙布置应遵循 “均匀”原则，应使构件传力路径简单、明确，这一 步应做到剪力墙布置基本合理，结构有合理的刚 度，使结构的层间位移角满足规范要求。剪力墙的 纵墙(以下称 X向墙体)和横墙(以下称 Y向墙体) 数量主要看结构相应方向的层间位移角是否满足 规范要求，如果 X 向的层间位移角大于规范允许 值，说明 X向墙体刚度不够，可以在平面合适位置 增加或加长 X向剪力墙;同理，如果 Y 向的层间位 移角大于规范允许值，则应增加或加长 Y 向剪 力墙。 第二步:调整剪力墙布置，使结构位移比满足 规范要求。在水平地震作用下，结构质心绕刚心转 动，如果刚心和质心的距离较远，地震作用产生扭 矩就较大，位移比就较难满足规范要求，为此需减 小质心与刚心之间的距离，质心是由建筑平面功能 决定，调整的余地较小，刚心则可以通过调整剪力 墙的布置来调整位置。为探索剪力墙布置对刚心 影响的一般规律，建立了三个模型，每个模型的 X 向和 Y向均为 4 跨，跨度均为 6． 00m。柱截面 600 ×600，剪力墙厚度均为 250mm，各模型平面布置见 图 1，刚心计算结果见 1。 (a)模型 a (b)模型 b (c)模型 c 图 1 例题结构平面图 684 建 筑 结 构 2011 年 模型 a，b，c的刚心坐标计算结果 表 1 刚心坐标 X坐标 Y坐标 模型 a 11． 9 11． 68 模型 b 11． 68 12． 0 模型 c 9． 21 12． 11 与模型 a相比，模型 b中 X向的墙 1，2 向左移 动一跨，Y向的墙 4 向上移动三跨，即各剪力墙沿 各自的平面内方向移动。尽管这两个模型的墙体 布置看起来有点“偏”，但从表 1 的计算结果看出， 两个模型的刚心坐标十分接近且在平面的几何中 心位置，这就表明剪力墙沿其平面内方向移动时不 会改变结构的刚心位置;模型 c 与前两个模型相 比，Y向墙体中墙 4 向左移动一跨，即沿其平面外 方向移动，其他剪力墙仍在各自的平面内方向上， 从表 1 可以看出，模型 c刚心的 X坐标由 11． 68 变 为 9． 21，变化非常显著，而刚心 Y坐标仍与模型 1、 2 十分接近，这说明 Y 向剪力墙左右移动将改变结 构刚心的 X坐标，即剪力墙沿其平面外方向移动时 将改变其平面外方向的刚心坐标。 以上三个模型说明:刚心的 X坐标只与 Y向剪 力墙有关，且 Y向剪力墙沿其平面内方向移动时不 会改变刚心的 X 坐标，这样为使结构刚心的 X 坐 标接近平面的几何中心，Y 向剪力墙应尽量关于 Y 轴对称布置，而不必关于 X轴对称布置。同样结构 刚心的 Y坐标也有类似的结论。因此当需要将结 构刚心向左(右)移动时，只需在刚心的左(右)侧 增加或加强 Y向剪力墙，且剪力墙离刚心越远效果 越明显，同样，当需要将结构刚心向上(下)移动 时，只需在刚心的上(下)侧增加或加强 X 向剪力 墙，这就为剪力墙的布置指明了方向。 第三步:调整剪力墙布置，使结构周期比满足 规范要求。这时应遵循“弱化中间、加强周边”的 原刚，减少中间剪力墙的刚度。加大外围构件的刚 度。对于剪力墙结构，加大外围刚度的有:尽 量在边缘位置布置剪力墙;将边缘位置剪力墙加厚 或加长;利用窗台下的空间将外围框架梁或弱连梁 加高成强连梁等。 以上三个步骤中，第二，三步中的剪力墙布置 会相互影响，应有机地结合起来，优先调整周边的、 离刚心最远的剪力墙，以达到事半功倍的效果。 2 工程实例 2． 1 工程概况 伟东新都 5 号地块安置楼 B栋，位于济南市八 里洼路以南。地下两层，地上 17 层，地下两层与 A 幢连成整体，地上部分通过温度伸缩缝兼抗震缝与 A幢分开。地下层 2 和地下层 1 均为车库及设备 用房，层高分别为 4． 80，5． 40m。地上层 1，2 为配 套公建及商业用房，层高分别为 5． 40，5． 30m。层 3 至层 17 为住宅，层高均为 2． 80m，屋顶机房层层 高为 4． 80m。裙房东西向长 47． 80m，南北向宽 31． 30m。层 3 ～ 17 为标准层，东西向长47． 80m，南北 向宽 16． 20m;建筑总高度 53． 30m。由于建筑上下 功能不同，层 2 以上部分剪力墙不能落地，故在层 2 顶设梁式转换层，以满足建筑功能要求。 工程建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度 为 6 度，设计基本地震加速度为 0． 05g，设计地震分 组为第二组［2］，设计特征周期值为 0． 40s。 2． 2 上部结构设计 按照以上的剪力墙布置步骤，首先对标准层进 行剪力墙布置，做到受力明确，传力简捷，然后布置 转换层以下墙体，使之满足建筑功能要求，并使转 换层上下刚度比基本合理，见图 2，3，称之为模型 1。经计算，各项指标除了位移比、周期比以外都比 较理想。 图 2 转换层平面布置图 图 3 标准层平面布置图(模型 1) 第二步:由于标准层刚心 X 坐标为 Xs = 122． 60，离质心的 X坐标 Xm = 120． 95 较远，使得在 Y + 5%偶然偏心地震作用下的层间位移比为1． 41， 不满足规范要求。为此需将刚心坐标向左移动，故 第 41 卷 增刊 刘昌军，等．浅谈建筑结构中剪力墙的布置 685 在最左端添加一段剪力墙，见图 4 中模型 2。 (a)模型 2 (b)模型 3 图 4 计算模型 经计算，标准层刚心的 X 坐标变为 Xs = 121． 94，质心的 X坐标为 Xm = 120． 93，刚心更接近 质心，在 Y + 5%偶然偏心地震作用下的层间位移 比为 1． 33，有明显好转，其他指标变化较小。 最后一步:结构第 1 阶周期为 T1 = 1． 553 0s， 为平动周期，第 2 阶周期 Tt = 1． 328 9s，为扭转周 期，Tt /T1 = 0． 851，接近规范限值，第 2 阶周期就是 扭转周期，不理想，需进一步调整，为此需加大平面 周边刚度，故加长左、右两尽端的剪力墙，并使连梁 的跨高比小于 5，并按洞口输入建模，平面调整见 图 4 中的模型 3。计算表明，结构第 1 阶周期为 T1 =1． 345 9s，为平动周期，第 2 阶周期 T2 = 1． 216 2s， 为平动周期，第 3 阶周期 Tt = 0． 989 0s，为扭转周 期，Tt /T1 = 0． 735，满足规范要求，其他各项指标均 变化较小，至此结构总体指标均较好地满足了规范 要求。各模型的计算结果见表 2。 各模型主要计算结果 表 2 模型 模型 1 模型 2 模型 3 标准层 刚心坐标 Xs = 122． 60 Ys = 10． 74 Xs = 121． 94 Ys = 10． 74 Xs = 121． 75 Ys = 10． 73 标准层 质心坐标 Xm =120． 95 Ym =10． 31 Xm =120． 93 Ym =10． 31 Xm =120． 92 Ym =10． 31 层间位移比 X +5%:1． 11 Y +5%:1． 41 X +5%:1． 12 Y +5%:1． 33 X +5%:1． 12 Y +5%:1． 33 周期 (括号内的数 为扭转系数)/ s T1 = 1． 573 4(0． 03) T2 = 1． 354 4(0． 95) T3 = 1． 220 1(0． 02) T1 = 1． 553 0(0． 00) T2 = 1． 328 9(0． 97) T3 = 1． 213 7(0． 02) T1 = 1． 345 9(0． 00) T2 = 1． 216 2(0． 02) T3 = 0． 989 0(0． 97) 转换层上下 刚度比 X向:1． 033 1 Y向:0． 929 5 X向:1． 036 8 Y向:0． 955 1 X向:1． 038 5 Y向:1． 072 1 3 结论 通过以上论述及计算表明，建筑结构中剪力墙 布置可分为三个步骤，第一步是层间位移角调整， 以确定合理数量的剪力墙;第二步是层间位移比调 整，按减小结构刚心与质心间距离的原则对剪力墙 布置进行调整;第三步是周期比调整，做到“弱化中 间，加强周边”，加强周边剪力墙特别是离结构刚心 最远的剪力墙的刚度，以加大结构的抗扭刚度。这 样剪力墙的布置变得有规律可循，剪力墙的布置更 有目的性。 参 考 文 献 ［1］ JGJ3—2002 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北京:中 国建筑工业出版社，2002． ［2］ GB50011—2001 建筑抗震设计规范［S］． 北京:中国建筑工 业出版社，2001．