高層建筑剪力墻的影響因素分析

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計算層數選取15層至26層，墻體最小厚度取160mm，根據JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》規(guī)定:抗震等級為三級的剪力墻結構的截面厚度，不應小于層高的1/25，且不應小于160mm，故最小墻厚取160mm。在層數增多時，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構的最大層間位移角為1/2400不變。運用有限元結構分析軟件SATWE進行計算分析，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隨層數的變化關系，從而分析層數對結構抗側剛度的影響。選取結構層數為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構的最大層間位移角為1/2400不變。運用有限元結構分析軟件SATWE進行計算分析，得出墻厚、振動周期、剛重比及剪重比這些參數隨層高的變化關系，從而分析層高對結構抗側剛度的影響。

層數影響分析

1墻厚隨層數的變化

從SATWE計算結果的數據運用origin繪圖程序繪制出墻厚隨層數的變化曲線如圖2所示，可以看出，在保證結構最大層間位移角不變的情況下，剪力墻的墻厚隨結構層數的不斷增加而增加，其中在圖形中可明顯看出，層數在15～21時，剪力墻墻厚隨結構層數的增加呈線性增加，層數在21～26時，剪力墻墻厚隨層數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?？芍斀Y構層數為15層時，該建筑物的高寬比為2.63，21層時，高寬比為3.93，26層時，高寬比為4.81，結合上面的討論可以知道，建筑物的高寬比在2.63～3.93時，隨著高寬比的增加，墻厚隨層數線性增加，即結構最大層間位移角隨層數線性增加，建筑物層數超過21層時，建筑物的高寬比在3.93～4.81時，在隨著高寬比的增加，墻厚隨層數非線性增加，也即結構最大層間位移角隨層數非線性增加?？梢钥闯?，在建筑物的高寬比大于4時，隨著層數的增加，高寬比的增大，結構的層位移角的增幅較大，因此在在層數較大時，結構的抗側剛度削弱明顯，需要加強建筑物的抗側剛度，這樣會導致結構的造價成本大幅增加，因此建議一般在高層建筑剪力墻結構的設計時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成本。

2振動周期和地震剪力隨層數的變化

從SATWE計算結果的數據運用origin繪圖程序繪制出振動周期和地震作用基底剪力隨結構層數的變化關系曲線如圖3和圖4所示。從圖3和圖4可以看出，在保證結構最大層間位移角不變的情況下，兩個方向的振動周期和地震作用基底剪力都隨結構層數和剪力墻墻厚的增加而增加，結構抗側剛度將有所減小，地震作用加大。

3剛重比和剪重比隨層數的變化

從SATWE計算結果的數據運用origin繪圖程序繪制出剛重比和剪重比隨結構層數增加的變化關系曲線如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，在保證結構最大層間位移角不變的情況下，兩個方向的剛重比和剪重比都隨結構層數和剪力墻墻厚的增加而減小，說明當結構的層數增加時，通過增加剪力墻的墻厚來調整結構的抗側移剛度，以保證結構的最大層間位移角保持不變，會對結構的整體穩(wěn)定和安全造成不利的影響，且層數越多影響越大。

層高影響分析

以15、18和21層的結構為研究對象，改變層高，通過增加剪力墻的墻厚來保證結構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隨層高的變化關系。由于X、Y兩個方向的計算結果變化的趨勢相近，故本節(jié)重點對Y方向振動周期、地震剪力、剪重比和剛重比等結果進行研究分析。

1墻厚隨層高的變化

可以看出，在保持結構最大層間位移角不變的情況下，墻厚隨著結構層高的增加呈線性增加。層高的增加使得剪力墻結構抗側移剛度降低，且層高增加時，剪力墻墻厚的增長幅度要大于改變層數時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系，將層高增長率與剪力墻墻厚的增長率進行對比分析，如表1所示，可以看出，相同層數時，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，結構的層數越多時，墻厚的增長率越大，通過以上可以說明改變結構的層高要比改變結構的層數對剪力墻結構的抗側剛度影響更加顯著，層高增加越多，剪力墻結構的抗側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計算結果的數據運用origin繪圖程序繪制出振動周期和地震剪力隨結構在層數為15、18和21層時隨層高增加的變化關系曲線如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，在保證結構最大層間位移角不變的情況下，兩個方向的振動周期和地震作用基底剪力都隨結構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的變化

從SATWE計算結果的數據運用origin繪圖程序繪制出剛重比和剪重比在層數為15層、18層和21層時隨隨結構層高增加的變化關系曲線如圖10和圖11所示。從圖10和圖11可以看出，在保證結構最大層間位移角不變的情況下，兩個方向的剛重比和剪重比都隨結構層高和剪力墻墻厚的增加而減小，說明當結構的層高增加時，通過增加剪力墻的墻厚來調整結構的抗側移剛度，以保證結構的最大層間位移角保持不變，會對結構的整體穩(wěn)定和安全造成不利的影響。

結語

1)在保證結構的最大層間位移角不變的情況下，增加結構的層數同時增加相應的剪力墻的墻厚，當建筑物的高寬比小于4時，剪力墻的墻厚隨結構層數的增加呈線性增加，當建筑物的高寬比大于4時，剪力墻的墻厚隨結構層數的增加呈非線性增加，即在層數較大時，結構的抗側度削弱明顯，需要加強建筑物的抗側剛度，這樣會導致結構的成本大幅增加，因此建議一般在高層建筑剪力墻結構的設計時盡量使得建筑物的高寬比不大于4(JGJ3—2010規(guī)定A級高度剪力墻結構的高寬比在7度區(qū)不宜超過6)，能夠控制建筑物的造價成本。

2)在保證結構的最大層間位移角不變的情況下，改變結構的層高要比改變結構的層數對剪力墻結構的剛度影響更加顯著，層高增加越多，剪力墻結構的抗側剛度減小的幅度越大。

3)結構層數和結構層高增加時，通過增加剪力墻的墻厚來保證最大層間位移角不變來調節(jié)剪力墻結構的抗側移剛度，結構的剛重比和剪重比有所減小，會對結構的整體穩(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)大學土木與水利工程學院）