高层剪力墙结构抗震设计及性能浅析

刘元静

【摘要】：地震荷载非常的毁坏性,让结构抗震特性的研究变成一个被大家关注的焦点。剪力墙是高层建筑结构里的重要构件,不但具有确保侧向刚度的功效,又具备提供抗震性能和参加耗散地震能量的功效。阐述了现在的剪力墙抗震研究,主要有结构理论研究,设计理论研究,现行应用的设计标准,新型结构形式,抗震试验方法进展等,供相关工作人员参考。

【关键词】：高层剪力墙结构抗震设计性能

中图分类号： TU2 文献标识码： A

【正文】：

高层建筑选用的钢筋混凝土结构体系有很多种，除框架结构外,别的几类结构体系均有剪力墙或剪力墙构成的筒体。剪力墙大量用于高层钢筋混凝土房屋,成为重要的抗震结构构件的原因是:剪力墙的刚度大,不难满足小震作用下高层建筑构件的位移限值;在地震影响下剪力墙的形变小,破坏小;能够设计为延性剪力墙,大震时经过连梁与墙肢底部塑性铰区域的塑性变形,消耗地震能量;和别的结构一块应用时,剪力墙消耗很多地震作用,减小别的结构构件的抗震需求。设防烈度相对高地区的高层建筑选用剪力墙,更能突出它的优势。

一 结构理论分析

1 理论分析

1)在地震影响下,双肢剪力墙一般有三个薄弱环节,它们常常为引起剪力墙脆性剪切破坏的起因:①底部楼层的施工缝出现水平错动;②墙面上具有斜向裂缝的现象;③连梁出现剪切破坏的状况。

2)在地震影响下,连梁的端部常出现垂直弯曲裂缝,非常容易生成斜向的剪切斜裂缝,在抗剪箍筋不够或剪应力太大时,便会出现剪切破坏,让墙肢间失去联系,剪力墙承载力下降。

2 计算模型

钢筋混凝土剪力墙是现在高层建筑的常用抗侧力构件,它的非线性计算模型研究得到了很多学者的关注。然而因为这种构件的截面尺寸非常大,受力状况非常复杂,现在还不存在像框架梁与柱那有着非常稳定的非线性计算模型。近期,各国相关工作者针对剪力墙结构的特性给出了很多不一样的分析方式和计算形式。

二 设计理论研究

1 抗震结构体系

⑴ 传统的抗震结构体系

一般的抗震结构体系为经过提高结构本身的性能来抵抗地震影响,就是由结构来储存和消耗地震能量,来符合结构的抗震设防需要,像增大构件尺寸或增大材料的强度等级等。然而因为大家还无法准确地估计结构将来可能碰到的地震动的强度与特性,而对于依据一般方法设计的结构,它的抗震特性没有自我调节和自我控制能力。在地震影响下,一般抗震结构体系或许不符合安全性要求而出现严重破坏甚至倒塌的状况,引起重大经济损失与人员伤亡。

⑵ 结构抗震控制

结构控制为近几十年发展起来的一门学科,最近得到了高速发展,获得了很多有创造性的成果。工程应用越来越广泛,据相关统计,使用结构控制技术的工程已有300多项,其中土木工程就有14项。

结构抗震控制体系经过在结构上安设控制机构,由控制机构和结构一起抵抗地震动等动力荷载,让结构的动力反应降低。结构控制是人的主观能动性和自然的结合,为结构对策的里程碑。结构控制依据是否需要外界能源与激励以及结构反应的信息,能够划分为被动控制、混合控制以及半主动控制。

2 抗震设计理论

近百年以来,由于人类对地震地面运动特点和结构地震反应特点的进一步认识,建筑结构在地震反应研究与抗震设计措施也在一步步地发展与完善。抗震设计理论的发展主要包括静力时期、反应谱时期、弹性动力时期和非线性动力时期还有基于性能P位移设计。

1)静力时期:结构抗震计算和设计始于20世纪初,把地震作用当作为作用在结构上的一个总水平力,并取作建筑物总重量和一个地震系数的乘积。采用容许应力法进行结构构件的承载力设计。

2)反应谱时期:反应谱理论是说,结构能够简化成多自由度体系,多自由度体系的反应能够用振型组合由很多单自由度体系的反应获得,单自由度体系的最大反应和反应谱的关系非常密切。反应谱的欠缺为仅仅提供结构在弹性时期具有一般意义的最大地震反应,而无法求得出具体的地震动影响下的最大地震反应,另一点欠缺为无法用于弹塑性结构的计算。

3)动力时期:动力分析法就是时程分析法一步步转变成结构抗震作用与地震反应的计算方式,能够用在弹性结构,也能够用在构件到达屈服的弹塑性构件。时程分析法选用地震加速度时程当作输入,作用在结构底部固定端,经过一步步积分法获得动力方程,获得结构随时间变化的反应,有构件内力、变形和层间位移等,还可以获得屈服结构的位置和塑性铰的发展过程等。

4)基于性能P位移设计。对于位移的抗震设计就是说,在不一样强度水准的地震影响下,以结构的位移响应进行结构和构件设计,让结构具备预定的特性。而位移的抗震设计一般有三类思路与方法:直接基于位移的方式,控制延性的方式以及能力谱法。

三 现行设计标准

我国目前的结构抗震设计为基于承载力和强度的设计,就是选用用弹性方法得到结构在小震影响下的内力与位移,用计算得到的组合内力对构件截面进行验算,让构件具备相当的承载力。另外,为了避免非结构构件出现破坏的状况,还需开展使用时期的位移验算工作。而对结构的延性与耗能能力很多情况下为经过构造措施得到的。规范选用了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准为设计目标和两时期抗震设计方式,定义结构的可靠度是结构在一定时间段中,在特定的条件下,实现预定功能的概率。

从某种角度上说,中国的抗震设计规范包括一些基于结构特性设计的思想,问题在于还没有形成一套特别完整的思路,在结构抗震理念高速发展的现在,根据实际震害对现行规范进行反思,仍有很多缺陷。

四 抗震试验方法进展

至于非弹性反应的构建或包含有有关特性构件的结构,大多因为理论分析里简化数学模型造成的不确定性,让计算结果的精度得到约束,试验研究变成估计这种型结构系统抗震特性的一类非常可靠的手段。所以,结构抗震试验分析也是不可缺少的,最近几年也获得很大的发展。

1 拟静力试验方法

拟静力试验方法为现在研究结构或构件特性中应用非常多的试验手段。对美国几年中试验的统计显示,发表在结构工程刊物上的试验研究约90%为拟静力试验范围,它为选用一定的荷载控制和变形控制对试件作出低周多次加载处理,让试件由弹性时期直到破坏的一类试验,现在拟静力试验的发展有下面个点:1)试验设备,从手动控制的机械或液压千斤顶加载到电液伺服作动器加载;2)反力设施,是电液伺服作动器增强固定和反力的设备逐渐向大型化与多功能化发展;3)数据采集,计算机数据采集已经成为主流;4)试验控制软件,现在电液伺服作动器均为选用计算机控制,然而,特殊的拟静力试验控制软件非常欠缺。拟静力试验最棘手的问题为试件屈服点的判定,现在还没有较好的方法,一直为试验者凭经验判定。

2 拟动力试验方法

拟动力试验方法具备了拟静力加载试验与地震模拟振动台试验的长处,能够经过试验的方法模拟结构的地震反应,获得了大范围的应用。然而大型结构的试验研究得到很多的制约:试验室规模、试验设备的能力及试验的费用。因此,较为经济合理的方案为对结构中最好破坏的部分进行测验,而别的大体完好的结构部分由计算机来处理,就是子结构拟动力试验。

【结语】：高层建筑剪力墙具现在已有长达100多年的历史,结构模式也在逐渐变化,需要大家在研究与设计里逐渐深入与创新。地震为对建筑构件抗震能力的直接检验。大家一般经过三条途径了解地震对建筑结构的作用和结构的抗震能力。在震害调查、科学分析、总结设计的相关经验和教训的条件下,对抗震设计规范进行修订,完善抗震概念设计和设计方法以及提高抗震能力。

【参考文献】：[1] 候蕾.纵横加劲肋钢板剪力墙试验与理论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2005.

[2] 刘清山.抗震剪力墙小跨高比连梁的理论分析及试验研究[D].西安:西安建筑科技大学,2006.

[3]刘季,周云.结构抗震控制的研究与应用状况(上)[J].哈尔滨建筑大学学报,1995,28(4):1-9.