高层住宅剪力墙结构的结构优化布置及其抗震性能分析

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1、高层住宅剪力墙结构的结构优化布置及其抗震性能分析第一章绪论1.1选题背景随着城市居民对改善型住宅的需求，剪力墙结构住宅应用广泛，占据目前在建高层建筑的70%[1]。在住宅建筑设计中，纯剪力墙结构的设计已经有一定经验，墙肢布置宜简单、规则，并且沿主轴方向双向布置，主轴方向的刚度相差不大[2]。进行抗震设计时，纯剪力墙结构不应布置一字墙，而且水平方向应尽量对齐，高度方向宜上下连续布置。在满足上述规定进行的剪力墙结构设计依然存在一些问题[3]，因为从竖向构件自身而言，剪力墙肢的抗侧刚度较大，如果墙构件布置过多，将会使结构自身的刚度过大，造成材

2、料的浪费，吸收过多的地震能量；但是，当墙肢布置过少，则无法满足强度的要求。如何把握剪力墙结构的刚度与强度之间的关系是一个值得探讨的问题[4]。迄今为止，国外学者对剪力墙结构的研究主要集中于剪力墙构件的算法上，而国内学者对剪力墙优化设计的研究有相当一部分是建立于竖向构件尺寸基础之上。目前对墙肢长度的研究主要集中在短肢剪力墙结构与一般剪力墙结构的选型对比分析，即使专门针对剪力墙结构的优化分析，也主要集中在墙肢厚度、长度或材料强度，但是这类研究的建筑与珠三角地区住宅平面有所不同。珠三角地区住宅建筑户型数较多，住宅建筑的层数在30层左右，建筑高

3、度不超过100m。另外，在进行结构的优化时，水平地震荷载组合往往是控制荷载组合。根据规范对结构进行多遇地震下的弹性分析，满足第一阶段设计的要求，为研究优化前后剪力墙结构在罕遇地震下的性能区别，可采用基于性能抗震设计方法，对结构整体以及构件自身进行大震下性能的评价。本文针对珠三角地区30层高的落地剪力墙住宅建筑，按平面布置和平面尺寸将这类建筑分类，并从结构角度寻找竖向构件的指标参数，通过研究该指标参数变化对结构性能的影响，进行结构优化设计研究。同时，对不同类型的落地剪力墙住宅建筑进行基于性能的抗震设计，分析上述指标对结构大震性能的影响。.

4、.......1.2高层剪力墙结构优化设计的现状探讨国内外学者就给定的结构平面进行了剪力墙几何尺寸、数量以及布置方式等方面的深入研究，相关工作如下。上世纪四十年代起，国外学者开始对剪力墙刚度进行研究。ChittyL.等人提出了双肢剪力墙的连续栅片分析法，简化了剪力墙构件的计算模型。在弹性分析的基础上，KumarapillaiK.、ClilckJ.、PekauC.A.等人[5,6]先后为剪力墙结构进行了弹塑性分析研究。此后PaulayT.、SozenM.等人为不同层数的剪力墙结构进行了振动台实验，通过实验探讨剪力墙立面上不同的开洞方式对其

5、抗震性能的影响[7-9]，PaulayT.更提出了斜向交叉配筋方法。日本作为地震频发的国家，该国学者很关心剪力墙结构的刚度分布以及其对建筑结构的抗震性能影响。他们在墙肢数量的合理化研究领域提出了多个重要概念，其中壁率和平均压应力这两个重要的概念与剪力墙肢长度及厚度密切相关[10]。其中，壁率为剪力墙水平截面长度与楼面面积之比，单位是mm/mm2，直观地反映了墙肢长度与平面面积的关系。根据关东、福井和十胜冲等多次实际地震下房屋破坏的统计情况，如下表1-1所示，可以认为当壁率大于150mm/mm2时，建筑是安全的，但此时墙肢可能过长；当壁率

6、大于120mm/mm2且小于150mm/mm2时，大部分建筑仅出现轻微破坏，基本安全；但是若壁率小于50mm/mm2时，建筑发生重大破坏。........第二章剪力墙结构在高层住宅中的设计2.1高层剪力墙结构的常用建筑平面根据文献[40]介绍，珠三角地区的多数建筑平面根据楼层电梯间公共空间的布局形式可划分为5种：电梯间中置围合式、通廊分布式、左右对称分布式、品字三边连接式、四向连接式，如下表2-1所示。文中将选取其中电梯间中置围合式、通廊分布式、左右对称分布式等3种建筑形式作为主要的研究对象。这三种建筑平面可按业主要求灵活连接多个单元，

7、而且交通路线明确，应用广泛。根据上文选定的平面类型，本文选取了位于广州市萝岗区的三栋高层住宅建筑，其平面布置如图2-1至图2-3所示，P1、P2、P3分别对应电梯间中置围合式、通廊分布式、左右对称分布式。本文主要研究对象均为民用住宅楼，底层不带商业建筑，结构类型为纯框架剪力墙结构，其主要建筑特征参数如下表2-2所示。........2.2墙肢比率的分析剪力墙结构在进行设计时很重视墙肢长度的问题，因为当墙肢长度过长时，墙肢在受弯后产生的裂缝宽度，墙体的配筋容易拉断，相反，当墙肢长短过小，则有可能变成短肢剪力墙，不利于抗震。因此进行剪力墙结

8、构布置时，需要注意墙肢长度的影响。表2-3列举了电梯间中置围合式、通廊分布式、左右对称分布式等3种建筑平面应用落地剪力墙结构的住宅实例，这些实际工程的层数为30-33层，建筑高度均在在90至100m之间，且