基于工程实例的框架-剪力墙结构中剪力墙轴力的研究

基于工程实例的框架-剪力墙结构中剪力墙轴力的研究

高雪刚

北京建筑大学北京市100044

摘要：框架-剪力墙结构不仅具有良好的抗震性能，还可以提供较大的使用空间，在实际工程中得到了广泛的应用。框架-剪力墙结构中的剪力墙是抗震的第一道防线，如何合理的在框架-剪力墙结构中布置剪力墙是结构设计的重要问题。本文结合某框架-剪力墙结构的工程实例，通过软件建模分析研究结构中剪力墙的布置形式对剪力墙轴力的影响。分析结果表明：通过对框架-剪力墙结构中剪力墙的布置调整可以有效的改善剪力墙的偏拉现象；一字墙加墙垛形成L形墙后，在地震作用下由于应力的重分布导致该一字墙出现了轴力剧增的现象；对称的设置剪力墙，使组合墙形成［形墙，相对于L形墙具有更好的受力性能，建议在结构设计中优先考虑使用［形、T形以及□形等对称形式的组合剪力墙。

关键字：框架-剪力墙；轴力；软件分析

ResearchonAxialForceofShearWallinFrame-WallStructure

BasedonPracticalProject

GaoXuegang

(BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,100044,Beijing)

Abstract:Frame-wallstructurenotonlyhasgoodseismicperformance,butalsocanprovidealargerspaceforuse,andhasbeenwidelyusedinpracticalprojects.Shearwallinframe-wallstructureisthefirstlineofresistance,howtolayouttheshearwallinframe-wallstructureisanimportantissueinstructuraldesign.Thispaperstudythelayoutofshearwallinframe-wallstructureinfluencetheshearwall’saxialforcebysoftwareanalysisbasedonpracticalproject.Theresultsshowthatthroughtheadjustmentofshearwallinframe-wallstructure,itcaneffectivelyimprovethetensionphenomenoninshearwall.Becauseofthestressredistributioninshearwall,theaxialforceofshearwallwillleapafterthestraightshearwallchangetoLshapeshearwall.Symmetricsettheshearwalllike［shapecanhaveabetterseismicperformancethanandLshape.Andsuggestedthatgiveprioritytousethesymmetricalshearwallinstructuraldesign.

Keywords:frame–wallstructure;axialforce;softwareanalysis

框架-剪力墙结构既有框架结构布置灵活、延性好的特点，也有剪力墙结构刚度大、承载力大的特点[1]，故而在实际工程中得到了广泛的应用。在框架-剪力墙结构的设计中，如何合理的布置剪力墙是结构设计面临的重要问题。剪力墙布置的不合理往往会造成剪力墙受到偏拉、结构侧移过大或结构自振周期减小等问题。剪力墙的数量和合理布置在很大程度上决定了结构的安全性[2]。所以在框架-剪力墙结构的设计中，如何正确把握剪力墙的受力情况、如何通过模型调整等方式改善剪力墙受力状态，是摆在广大工程设计人员面前的重要问题。

本文基于某实际工程，通过软件建模分析的方式对框架-剪力墙结构中剪力墙的轴力变化问题进行研究，阐述了结构中的剪力墙在不同布置情况下轴力变化的原因，并得出相应的结论以期指导工程实践。

1工程概况

本工程位于北京朝阳区，建筑为中学教学楼，建筑总高度为20.750m、室内外高差-0.450m，地上5层。工程采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构。结构布置形式为X、Y向双轴对称，结构标准层平面图见图1所示。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》），工程拟建场区的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，特征周期为0.45s；建筑场地类别为III类；根据《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）中的规定建筑抗震设防类别为乙类。根据《抗规》可知框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

2软件建模

对本工程的结构整体计算分析软件采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部的“多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件－SATWE软件”（2010版）。SATWE软件是针对多高层结构的空间组合结构有限元分析软件，软件采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆件，以壳元理论为基础，构造了一种通用墙元来模拟剪力墙，这种墙元对剪力墙的洞口的尺寸和位置无限制，具有较好的适用性。墙元不仅具有平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态。而且墙元的每个节点都具有空间全部六个自由度，可以方便的与任意空间梁、柱单元连接，而无需任何附加约束[3]。

对结构的整体分析采用空间杆-壳元模型；结构计算考虑双向地震；特征值分析类型采用子空间迭代法，计算阵型个数取12；周期折减系数取0.8；连梁的折减系数取0.6。经过SATWE计算后，查看周期、位移等各项指标满足规范要求。其整体计算模型和首层部分配筋结果如图2所示。

图2框架-剪力墙结构的整体计算模型和首层部分配筋结果

3剪力墙轴力调整

虽然计算结果中各项指标均满足规范要求，但是可以发现底部剪力墙的墙肢出现了大量的偏拉现象（见图2-b，其中配筋输出结果中DPL代表大偏拉，XPL代表小偏拉，PL代表大、小偏拉并存）。《抗规》第6.2.7.3条中对双肢剪力墙的偏拉作了如下规定：双肢抗震墙中，墙肢不宜出现小偏心受拉；当任一墙肢为偏心受拉时，另一墙肢的剪力设计值、弯矩设计值应乘以增大系数1.25[4]。

当剪力墙的墙肢在多遇地震作用下出现偏心受拉时，在设防地震、罕遇地震下的抗震能力可能大大丧失，因此在结构设计中应该引起足够的重视[5]。在结构设计中，尤其应该尽量使墙肢出现小偏拉的情况。因为当双肢墙的其中一个墙肢出现小偏心受拉时，可能会使墙肢底部出现水平通缝，进而导致该墙肢的抗剪能力严重丧失，这样会造成另一墙肢承载能力不足。通过对以往震害的调查研究，也发现很多剪力墙出现了受拉而造成的水平裂缝的情况：如2010年智利地震害中有数千片剪力墙发生以拉压破坏为主的破坏模式[6]。

为了从根本解决上述问题，在结构设计过程中，应该尽量通过对结构模型的设计调整，使剪力墙不处于受拉状态，或者降低其偏拉程度；同时使各项指标满足规范要求。

3.1模型调整

通过调整框架-剪力墙结构中剪力墙的布置，得到图3所示的首层部分配筋结果。根据SATWE设定的偏拉（PL）输出情况可以看出按照图3所示的结构布置，左侧楼梯间处的剪力墙并不受拉。从而在设计层面了解决了剪力墙的偏拉问题

。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中提到框架-剪力墙结构中的纵、横剪力墙宜组成L形、T形和［形等形式[7]。这样可以增加剪力墙的整体刚度，更充分发挥其作用。接下来将图3中左侧的一字墙的一端增设墙垛改为L形墙，设置的墙垛长度取为250mm。通过软件建模分析该一字墙加墙垛前后的内力变化情况。

通过对比，可以发现该墙段在加墙垛的弯矩、剪力变化并不明显，但是轴力却发生了剧增现象，具体计算结果见下表1、表2（表中DL表示恒载，LL表示活载，EX和EY表示X和Y向地震；MX-BTM和MX-TOP分别表示剪力墙底部和顶部平面内弯矩，SHEAR-X表示剪力墙平面内剪力，Axial表示剪力墙底部轴力）。

a)无墙垛模型b)单墙垛模型c)双墙垛模型

图4计算模型布置图

由上表4可以看出，由于无墙垛的模型和双墙垛的模型中剪力墙都是对称的，它们在Y向地震作用下二者的EY都可看作是0。但是单墙垛模型的剪力墙是非对称的，其中直墙段的EY值为296.06kN。进一步查看计算模型的输出结果可以得出单墙垛模型中的墙垛所受到的EY为-304.55kN，双墙垛模型中的两个墙垛的EY分别-281.86kN和281.03kN。当同时考虑墙垛和直墙段的轴力时，三种模型在Y向地震作用下组合墙的轴力近似相等。这就说明增加墙垛后，地震作用下剪力墙墙肢截面的拉应力进行了重分布。可以理解为双墙垛的其中一个墙垛取消后，取消处的墙垛承受的轴力转移至直墙段，从而造成了直墙段剪力墙轴拉力出现了剧增的现象。

3.3对称设置墙垛的结果分析

通过上述研究，现将调整后的计算模型中的直墙段改为双墙垛的［形式，经过SATWE计算后，可以发现直墙段的轴力值和未加墙垛的轴力值接近，具体计算结果对比如下：

4结论

本文通过对某工程实例中框架-剪力墙结构的软件分析研究，对比分析了框架-剪力墙结构中剪力墙在不同布置情况下的轴力变化，得出以下结论：

（1）在结构设计中应该尽量通过设计调整避免或改善剪力墙墙肢的偏心受拉状态，尤其应努力避免双肢墙墙肢的小偏心受拉。如不可避免，则需严格按照规范要求对弯矩设计值和剪力设计值进行放大处理，以保证结构的安全。

（2）框架-剪力墙结构中一字墙的加墙垛后形成L形墙后，会使直墙段的轴力出现剧增的现象，对比PKPM和ETABS的计算结果，发现结果具有一致性。通过对简化模型的研究，可以得出直墙段的轴力剧增是由于形成L形墙后，在地震作用下剪力墙墙肢截面的拉应力进行了重分布。

（3）通过对称设置墙垛，使组合墙形成［形，相对于L形具有更好的受力性能；且在L形墙中，墙垛长度的增加对直段墙的偏拉程度有不利的影响。

（4）框架-剪力墙结构中的剪力墙应尽量对称布置，组合墙肢宜优先考虑使用［形、T形以及□形等对称形式，使用L形墙可能会使墙肢出现受拉的现象。

参考文献

[1]方鄂华,钱稼苑,叶列平.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2003

[2]薛海洪,席丁民,张晓丹.剪力墙对框架-剪力墙结构抗震性能影响分析[J].四川建筑科学研究,2010,03:158-160

[3]中国建筑科学研究院.SATWE多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件用户手册[M].2010.

[4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[5]刘孝国,杜斌.偏拉剪力墙的配筋设计[C].中国土木工程学会计算机应用分会、中国图学学会土木工程图学分会、中国建筑学会建筑结构分会计算机应用专业委员会:,2015:8.

[6]周颖,吕西林.智利地震钢筋混凝土高层建筑震害对我国高层结构设计的启示[J].建筑结构学报,2011,32(5):17-23.

[7]JGJ3-2010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，2011