张慧琦 ZHANG Hui-qi；梅长骞 MEI Chang-qian
（抚顺市建筑设计研究院有限公司，抚顺 113006）
（Fushun Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd.，Fushun 113006，China）
摘要： 本文根据具体工程，对高层建筑剪力墙进行了计算分析，分别介绍了剪力墙计算模型、软件计算参数选取（包括地震信息输入、高层建筑振型计算个数、周期折减系数、结构阻尼比）、设计信息（包括梁刚度放大系数、连梁刚度折减系数、梁扭矩折减系数），对周期和周期比计算、位移计算、侧移刚度计算、剪重比计算、刚重比计算结果进行了分析。
Abstract: Depending on the project, this paper calculated and analyzed the high-rise building shear wall, introduced shear wall calculation model and the software calculation parameter selection, including the seismic information input(the number of high-rise building vibration mode calculation, cycle reduction factor, the structure damping ratio) and the design information(the beam stiffness amplification factor, coupling beam stiffness reduction factor, beam torque reduction factor), and analyzed the calculated results of the cycle and cycle comparison calculation, displacement calculation, lateral stiffness calculation, shear weight ratio calculation, rigidity-to-gravity ratio calculation.
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关键词 ： 剪力墙结构；结构设计；计算
Key words: shear wall structure；structural design；calculation
中图分类号：TU972 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）06-0096-02
0 引言
高层建筑结构发展趋势高度化和复杂化，结构计算量越来越大，计算机己成为高层建筑和复杂建筑结构设计不可缺少有力计算工具。高层建筑结构分析主要包括以下几种方法：杆件有限元法一将结构离散为若干杆单元，再将杆单元集合成结构体系，用矩阵位移法进行分析；组合有限元法一先将结构离散为杆、墙、板等单元，再将这些离散单元组合成结构体系成进行分析；有限条法一先将结构离散为连续条元，再组合成结构体系进行分析。三种方法中组合有限元法离散单元模型认为更符合实际工程，计算结果精确，近年来应用广泛于高层建筑结构中。
1 剪力墙计算模型
本工程采用SATWE软件进行设计分析。基于组合有限元法建立空间组合结构计算模型，梁、柱仍采用空间杆单元，由于采用薄壁杆件代表剪力墙遇到上下洞口错位大、框支剪力墙等问题，采用墙元模型是将剪力墙视为若干墙体组成墙组，以节点支撑传递上下的内力，分析精度提高。薄壁杆件模型将剪力墙视为杆件，墙元模型以竖向位移为未知量，多点传力，变形协调。高层建筑结构考虑楼板变形，采用空间板壳单元模拟。计算模型考虑空间扭转变形的同时也要考虑楼板变形，对计算条件要求更高，适用于楼板开有大洞口结构和复杂剪力墙结构等。本工程为剪力墙结构采用墙元模型计算分析。
2 软件计算参数选取分析
2.1 地震信息输入
①考虑偶然偏心和双向地震作用。对于高层建筑结构，考虑偶然偏心计算出位移比大于1.2，说明结构质量和刚度分布不均匀，抗扭能力较差，此时应该计入偶然偏心的影响。②高层建筑振型计算个数。振型组合数如果取值小不能全面反映整体结构地震响应导致计算结果失真，如果计算个数过多会增加计算时间，消耗计算机资源,具体取值根据工程规模、结构规则性等因素确定。振型数太少不能正确考虑模型最大地震作用情况，本工程计算振型个数取15个。③周期折减系数。框架结构中填充墙数量较多，故折减系数较小，剪力墙结构中填充墙较少，通常折减系数取0.9-1.0之间，具体取值多少需要根据实际结构中填充墙多少及对结构刚度影响程度来确定。综合考虑上述因素本工程为落地剪力墙结构，填充墙较少取0.98。④结构阻尼比。阻尼存在延缓结构破坏，延性得到提高。在设计地震反应谱时假定普通结构阻尼比为0.05，软件默认值也为0.05。本工程结构阻尼比取0.05。
2.2 设计信息 ①梁刚度放大系数。采用刚性楼板假定计算楼板自身刚度没有考虑到主体结构中，规范规定通过采用放大梁刚度方法来近似考虑楼板刚度对结构贡献。在计算时梁按未考虑刚度放大前数值计算，如果不乘刚度放大系数梁承载力仍能满足荷载组合作用下设计要求，说明梁不存在安全隐患。本工程梁刚度放大系数取1.5。②连梁刚度折减系数。为保证连梁在正常使用状态下不发生开裂或开裂变形在一定范围内，该参数取值不宜小于0.5，实际工程设计时取0.7。此项系数大小对于以墙体开洞方式形成连梁和以普通梁方式输入连梁都起作用。本工程取0.7。③梁扭矩折减系数。若现浇楼板按楼板刚性假定计算，考虑到受力过程中楼板和梁共同抵抗扭矩而对梁扭矩值进行折减，参数取值范围一般为0.4-1.0。定义弹性楼板，在计算时考虑楼板和梁抗扭作用，所以梁扭矩值无需再折减。本工程取0.4。
3 计算结果分析
3.1 周期和周期比计算结果分析 结构自振周期主要与自身质量、刚度有关，质量越大周期越大，刚度越大周期越小。本工程周期比为1.9794/2.4460=0.81满足要求。如果计算结果超出规范规定范围，说明结构扭转效应明显，通过增加结构外围主要构件刚度，减小内部主要构件刚度来提高整体抗扭能力。
3.2 位移计算结果分析 本工程楼层位移和层间位移比计算结果竖向均匀布置，没有非常明显刚度和质量突变，经软件计算后输出位移图形光滑，没有严重畸变点。由于建筑平面呈一字型布置，在确定设计方案时有一定处理，X方向抗侧刚度还是大于Y方向，结构X方向最大位移值和层问位移比计算值均比Y方向小。经软件计算发现最大位移或层间位移比超过限值，考虑适当加强结构抗侧能力，采取结构方案适当调整，加大主要抗侧构件尺寸等措施。
3.3 侧移刚度计算结果分析 规范规定高层建筑结构层间侧向刚度不宜小于相邻楼层70％或其上部三层相邻楼层80％；对于计算分析存在薄弱层则按规定将楼层剪力计算值再乘以1.15增大系数，计算结果仍然要满足剪重比规定以保证薄弱楼层抗震能力。为保证结构竖向均匀布置，避免刚度有突变存在，突变处由于在地震作用下变形一致容易破坏。由于本工程结构竖向布置均匀，未形成薄弱层。
3.4 剪重比计算结果分析 采用振型分解反应谱法计算自振周期长结构时，由于地震影响系数取值偏小，相应地震作用计算值偏低，按照规范规定本工程剪重比最小值为0.024。若软件计算剪重比结果小于规范要求时说明结构刚度相对于水平地震剪力过小，结构不安全；但剪重比过分大，虽然结构刚度好但经济指标较高宜适当减少墙、柱等竖向构件截面面积达到节省工程造价目的。本工程地上主体结构一层为第4层，剪重比计算结果满足相应要求。X方向有效质量系数99.49％，Y方向有效质量系数99.47％。
3.5 刚重比计算结果分析 高层钢筋混凝土结构自身重量很大，如果没有侧向荷载作用，结构稳定性良好不会发生失稳破坏，但在风或地震等水平荷载作用下结构一旦发生侧移，由于自身强大惯性产生明显二阶效应。为保证结构良好抗震抗风性能，需要控制二阶效应影响，避免结构发生整体侧向位移变形时失稳倒塌。本工程X向刚重比EJd/GH**2=6.47，Y向刚重比EJd/GH**2=6.42，二者都大于1.4，能够通过结构整体地稳定性验算，都大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。
4 结论
本章结合实际工程，通过PKPM系列软件中的PMCAD对结构建立模型，并在软件中进行计算分析，结合实际工程详细说明软件计算参数的选取，得到结构设计结果分析数据，通过分析软件计算数据准确性来推测结构方案中存在问题，更好地为设计者提供参数。
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