剪力墙结构设计进阶之路（五）——跟着变形调模型（实践篇）

在进阶之路（四）中，大白用简单算例，尝试验证了侧移变形形态与结构高宽比的联系，本文开头将继续利用该算例，考察“进阶之路（五）——理论篇”中调整策略的有效性。

 

某33层钢筋混凝土剪力墙结构，层高3m，墙厚200mm，梁高200×600mm，结构的质量中心和刚度中心完全重合。经初步试算，该方案在X向地震和Y向风荷载工况下，楼层最大层间位移角（亦即层间最大平动位移角）未满足高规的限值要求，需进行结构调整。

结构平面布置图

结构侧移变形曲线

 

根据初步方案的结构侧移变形曲线，可知X向地震作用下，结构的侧移变形为弯剪型；Y向风荷载作用下为弯曲型。

 

依据大白提出的调整策略，选取3轴墙体进行局部调整，如下图方案一所示； 

 

为方便对比，以相反策略对3轴墙体进行局部调整（图中方案二）；

（a）方案一（加强翼墙）            （b）方案二（加强横墙）

结构调整方案

计算结果都汇总到下表：

 

与理论分析的预测结果相同，在增加同量墙体（增加的结构重量也相同）的情况下：

方案一同时实现了提高X向横墙刚度和增强Y向翼墙共同作用的目的，结构的层间最大平动位移角能同时满足规范的要求。

 

方案二的新增墙体仅加强了Y向的横墙刚度，对风荷载下位移角的约束效率不如方案一；

X向的侧向刚度未得到提升，反倒结构重量增加使得地震荷载增大，层间最大平动位移角越调越大。

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让我们看看，工程实践中如何运用该策略：

 

某28层剪力墙住宅，建筑高度84.6m，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s，50年一遇基本风压为0.8 kN/㎡，地面粗糙度为A类。

标准层结构初步方案如下：

 

某28层住宅标准层结构初步方案

各向控制工况下的侧移变形

 

经试算，Y向的控制工况为风荷载，层间最大位移角出现在第24层，为1/970，未满足规范要求，需要进一步调整。

 

结构初步方案Y向风荷载下的层间位移角计算结果

 

该层的位移比为1.0，已是实际刚度，无法运用控制扭转位移的调整策略。

 

结构高宽比为84.6/15.3=5.5，侧移变形呈弯曲型，故采用加强翼墙共同作用的调整方案，选择楼梯间外墙处两侧各加长翼墙600mm，如下图所示：

加强翼墙的调整方案

调整后的层间最大位移角减小至1/1018，已满足规范限值要求。

加强翼墙后Y向风荷载下的层间位移角计算结果

 

如果只加强横墙，会不会同样有效？

 

选取电梯井边的内隔墙，两侧各加长600mm，如下图所示：

 

加强横墙的调整方案

算得层间最大位移角仅为1/977，仍未满足规范要求，该方案控制层间位移角的效率明显低于加强翼墙的方案。

加强横墙后Y向风荷载下的层间位移角计算结果

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Y向地震工况虽不是控制工况，大白亦列出了期间层间最大位移角的变化情况：

结构初步方案Y向地震作用下的层间位移角计算结果

初步方案的层间最大位移角出现在26层，为1/1359。调整后层间位移角计算结果如下：

加强翼墙后Y向地震作用下的层间位移角计算结果

加强横墙墙后Y向地震作用下的层间位移角计算结果

 

与风荷载工况下相同，加强翼墙共同作用的调整方案（1/1395）对层间最大位移角的控制效果仍然优于加强横墙的方案（1/1365）。

 

不同的是，横墙方案并未像理论分析那样，层间位移角越调越大。

 

查看前后的位移比，偏差仅在0.5%左右，可忽略其影响。

 

可能的原因，虽然两种调整方案都增加了同量墙体，但由于楼层荷载变化非线形（如填充墙、梁高等因素），结构总重量变化无法保持一致，两者的地震反应力与预期产生了偏差。

为此，大白查询了楼层单位面积质量：

加强翼墙后各楼层单位面积质量

加强横墙后各楼层单位面积质量

 

可以看到，翼墙方案的结构质量略高于横墙方案，若两者偏差拉平后，后者的地震效应还要增加，层间位移角将会放大，将会更接近理论分析的结果。

 

案例的分析结果汇总于下表：

某 28 层住宅结构调整结果汇总表

大白重复下本章的重点：

 

高宽比和配套的结构调整方案是高效控制楼层最大层间位移角的关键；

工程实践中，可依据各主轴方向上的侧移变形形态，合理选择结构的调整策略：

弯剪型，应优先采用增加横墙侧移刚度的调整策略；

弯曲型，采用加强翼墙共同作用的调整策略更为高效；

以及：

 

地震工况下，严格执行上述策略，避免最大层间位移角越调越大。

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