风荷载对于剪力墙结构性能影响的研究_张前进.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023建筑结构风荷载对于剪力墙结构性能影响的研究esearch on the Influence of Wind Load on the Performance of Shear Wall Structure张前进(山东高速资源开发管理集团有限公司，山东 济南 250098)摘要:针对剪力墙建筑的结构稳定性，本文主要研究风速荷载对其性能的影响。研究探讨了风速荷载的作用机制，并综合讨论了剪力墙参数，主要包括剪力墙高宽比、洞口率等对其抗风荷载能力的影响，利用有限元法对剪力墙结构进行计算，讨论了风速荷载对于住宅建筑墙肢的应力作用。设计对比了基本剪力墙结构、位置优化结构和结构长度优化方案的结构性能，仿真结果证明，三种方案均能满足建筑规范的要求，但降低剪力墙结构中部长度的方案，相对其他方案来说，柔性更好，层间位移角更大，被认为是三种结构的最优结构。关键词:风速荷载;剪力墙;结构性能中图分类号:TU973.16文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01000806DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301002ZHANG Qianjin(Shangdong HiSpeed esources Development Management Group Co.，Ltd.，Jinan 250098，China)Abstract:For the structural stability of shear wall buildings，this paper mainly studies the effect of wind load on its performance.Theaction mechanism of wind load is studied and discussed，and the influence of shear wall parameters，mainly including the ratio of heightto width and the ratio of openings，on its wind load resistance is comprehensively discussed.The finite element method is used tocalculate the shear wall structure，and the stress effect of wind load on the wall limb of residential buildings is discussed，which proves theeffectiveness of the method.The design compares the structural performance of the basic shear wall structure，the location optimizationstructure and the structural length optimization scheme.The simulation results show that the three schemes can meet the requirements of thebuilding code，but the scheme of reducing the middle length of the shear wall structure is considered to be the optimal structure of the threestructures because of its better flexibility and greater interstory displacement angle compared with other schemes.Keywords:wind speed load;shear wall;structural performance作者简介:张前进(1980)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向:建筑结构设计、地基处理及项目管理等。收稿日期:202111220引言建筑行业的发展，要求当前的建筑设施具有节能环保、简单高效等特点1，从而使得以剪力墙为基础的建筑受到业内人士的重视2。剪力墙建筑的稳定与否，关乎到整个建筑的质量3。考虑风荷载作用下的剪力墙结构参数对于稳定性的影响，具有重要的研究价值4。新技术、新材料的使用，会使得建筑的结构稳定性受到影响5。尤其是一些结构跨度比较大的建筑，当其受到风荷载的作用后，会表现出强烈的不稳定性，危及住户的生命和财产安全6。1 期张前进:风荷载对于装配式剪力墙结构性能影响的研究9建筑结构为了保证装配式建筑的结构稳定，需要着重考虑风载荷对其结构的破坏性7。通过控制风荷载的影响，可以有效保障装配式建筑的稳定性，分析结构中的薄弱部位，对其进行相应的加强，可以大幅度提高建筑的抗震能力和抗风能力，提高工程质量8。本文以剪力墙建筑为研究对象，通过理论分析不同的风荷载对其稳定性的影响，利用有限元法进行计算。比较了不同剪力墙参数对于建筑性能的影响，并对比了基本剪力墙结构、位置优化结构和结构长度优化方案的结构性能，为剪力墙建筑的结构优化提供了思路。1风荷载对剪力墙结构的影响1.1风荷载风荷载呈现一定的高度特性，不同的高度，不同的地面场景，具有不同的特性9。其变化规律需要通过数据分析才能够准确获得。当建筑的主体结构稳定时，该建筑受到的风载荷与其受到风向角度的面积密切相关，相同风速条件下，受风面积越大，该建筑受到的风力作用也会越大，风荷载可以用公式描述为10:k=zsz0(1)式中:z为 z 高度位置处风的振幅度系数;s为风力的空间系数;z为 z 高度位置处的风压变化系数;0为风压基本标准值，由国家标准确定，本文研究的项目选择为 0.4。风力的空间系数 s的值与建筑的位置和朝向有关，结合本文研究的项目，对于正面风向的位置，该系数取值 0.8;背面风向的位置，该系数取0.5;两边的侧面位置取值0.7，综合后风力空间系数取值为 1.3。高度位置 z 处的风压变化系数 z的大小与表面粗糙度有关，当地表面的粗糙度为 C 类的情况时，按现行国家标准可以得到风压变化系数为:z=0.544(z/10)0.44(2)当建筑高度很高，超过 30 m 后，且其高宽比相对较大，超过1.5 时，风力的振幅度系数需要考虑风压对其的影响，此时 z 高度位置处，风的振幅度系数 z的表达为:z=1+2gI10Bz1+2(3)式中:决定振幅强度的峰值因子 g 取值 2.5;I10为10 m 高度处的大气湍流强度取值 0.23;为风力的共振分量影响因子，Bz为风力背景分量影响因子。1.2剪力墙结构剪力墙是当前建筑中应用最广泛的一种结构，该结构具有良好的承载能力，满足民用和商用建筑的基本功能。同时该建筑结构具有很好的抗风振能力和抗地震能力，使水平荷载以及垂直荷载对于建筑的影响很小11。在规范的高度内，剪力墙结构相比框架结构、砖砌结构等可以建得更高，室 内 空 间 利 用 率 也 更 大，适 合 住 宅 建筑等12。1.3剪力墙结构优化原则剪力墙结构具有抗风和抗震的能力，其结构水平面内，具有刚度内大外小的特点13。对于常用的住宅建筑，剪力墙结构承受的水平风荷载一般会沿着结构的两个方向作用14。其结构优化的基本原则为:(1)高层建筑的剪力墙结构，尽量采用联肢剪力墙，避免使用结构性能较差的短肢剪力墙。(2)剪力墙的布置尽量均匀，且不存在墙体过长和过短的情况，布置的方向也尽量沿着主轴的方向。(3)剪力墙的窗口布置中，尽量整齐对称且位于一条直线上，避免形成宽度差距很大的洞口结构。(4)剪力墙的结构布置中，尽量采用 L 形结构或者 T 形结构以及矩形结构的剪力墙，对于抗荷载能力较差的一字剪力墙尽量避免，尤其是短肢一字墙，更是不能使用。(5)剪力墙的布置要连续，避免层与层之间的刚度发生突变。(6)剪力墙的布置尽量位于结构的边缘位置，避免出现结构偏心的状态。10粉煤灰综合利用37 卷建筑结构2仿真结果与数据分析2.1仿真条件本文利用有限元软件对建筑结构性能进行理论计算分析。以北方地区某小区的高层住宅作为研究对象，该建筑地上 12 层，地下部分有 2 层的地下室建筑。建筑总高 34.71 m，其中 111 层的平均层高高度为2.9 m，两层地下室的高度分别为 3.3 m 和 3.2 m。建筑平面面积约为 8570 m2，横向跨度 16.3 m，纵向跨度 47.5 m。建筑采用现浇的混凝土结构，剪力墙厚度为20 cm，门结构的高度为 2.2 m，窗台高度设定为0.9 m，楼板厚度为 10 cm，外墙包覆保温板材料，填 充 墙 采 用 玻 纤 网 来 加 强 其 抗 震 抗 风能力15。建筑的高度低于 60 m 的限度，因此其风速荷载可以参照 建筑结构荷载规范中的标准，选择 50 年一遇的风压条件，为 0.45 kN/m2。由于该建筑所处为大型城市，周围存在密集的楼房建筑，故该建筑的地面粗糙度为 C 级。2.2仿真结果2.2.1应力与风荷载的关系由风速荷载的作用机制可以知道，当该建筑受到的风速风力不同的时候，其受到的风荷载就会有所区别，建筑受到的底部形变力矩以及每一层的形变力矩等都会发生变化，通过公式来计算出其应力情况。空气的密度取值为 1290 g/m3，分别考虑不同风速情况下的墙肢所受应力情况。墙肢的形状如图1 所示，墙肢为 L 形，长边的长度为140 cm，短边的宽度为 90 cm。图 1L 形墙肢结构图Fig.1Lshaped wall limb structure在 10m 高位置处的风速与应力关系情况如图 2所示。图 2墙肢应力与风速的关系Fig.2elationship between wall limb stress and wind speed由图 2 可知，对于该墙肢情况，其所承受的应力是随着风速的增大而增大，且两者之间并不是单纯的线性关系，呈一定的曲线上升，风速越大，受到的应力变化越明显。2.2.2剪力墙高宽比的关系影响为了比较不同建筑形貌，尤其是不同高宽比等情况对于剪力墙的影响，在原有建筑的基础上，通过软件建立模型。建筑位置、高度不变，逐渐改变建筑的宽度，使整个住宅的高宽比发生变化，模拟在不同地面粗糙度情况下的风振形变加速度情况。为了使得建筑的形变更明显，风速的选择分别为 10 年一遇情况和50 年一遇情况进行对比。对比结果如图 3 所示。图 3高宽比与风振加速度的关系Fig.3elationship between height width ratio andwind vibration acceleration从图 3 中可以看到，对于不同的地区，以及不同的风速风力情况，该建筑受到的风振加速度情况均是随着风力的增大而上升。对于 C 类粗糙度建筑的情况，当其受到 10 年一遇的风力情况1 期张前进:风荷载对于装配式剪力墙结构性能影响的研究11建筑结构时，高宽比由 5 逐渐变成 8 的情况下，整个建筑的最高位置的顺风向加速度，由0.085 m/s2逐渐变为0.125 m/s2，加速度增加幅度接近 50%。同种情况下，A 类地表粗糙度的建筑受到风振加速度的情况要比 B 类和 C 类情况更大。当高宽比进一步增大，或者风力逐渐增大到极端不可控情况时，风振加速度变得显著，证明地表粗糙度也是影响剪力墙建筑承载能力的一个因素。在 50 年一遇的风荷载情况下，对于高宽比为5 的结构，其风振加速度约为 0.15 m/s2，当高宽比逐渐增大到 8 时，该建筑最高点受到的风振加速度接近 0.23 m/s2，从而可以证明，高宽比是建筑抗风能力的一个重要指标。在相同面积上，一味增加建筑高度，会降低建筑的抗风能力，住户的舒适度也会下降。2.2.3剪力墙洞口率的影响在保持剪力墙结构基础上，综合考虑剪力墙厚度和混凝土参数的情况下，调整剪力墙的洞口率，研究洞口率对其抗风特性的影响。洞口率的参数见表 1，剪力墙的厚度分别选择 20 cm、25 cm和 30 cm，混凝土强度分别为 C30、C35 和 C40。表 1剪力墙洞口率参数Table 1Parameters of shear wall opening ratio方向洞口率 1洞口率 2洞口率 3X 向0.1380.1560.222Y 向0.0820.0920.132对不同的洞口率进行仿真计算，墙厚为 20 cm时计算结果如图 4 所示。图 4洞口率与 X 向刚重比的关系Fig.4elation between opening ratio and stiffnessweight ratio in X direction由图 4 可以看到，在维持墙厚不变的情况下，该剪力墙结构的刚重比与洞口率呈反比，且随着混凝土强度上升，刚重比也随之变大。在三种参数的刚重比均大于 2.7，符合建筑规范要求。剪力墙的洞口率主要影响到建筑结构的抗侧能力，洞口率越小，抗侧能力就越强，但是会增加建筑成本;洞口率越大，则抗侧能力越弱，且过大的洞口率会影响到建筑的结构安全性。混凝土强度分别为 C30 时，改变墙厚的计算结果如图 5 所示。图 5洞口率与周期的关系Fig.5elationship between opening ratio and period由图 5 可知，在不改变混凝土强度的前提下，建筑的振动周期是随着洞口率的上升而上升的，不同墙厚增长的幅度略有不同，墙体厚度越大，振动周期增长越慢。2.3不同剪力墙方案的对比为了比较不同剪力墙设置方案对于建筑性能的影响，在前文条件的基础上，分别设置三种剪力墙设置方案，如图 6 所示。方案一:采取轴对称剪力墙设计方案，在 X、Y 两个方向均设立剪力墙，剪力墙的设置从上至下，保证其连续性，并在电梯的位置周围设立剪力墙，平面结构图如图 6(a)所示。方案二:对方案一进行修改，调整剪力墙的位置和形状，改动 Q1 和 Q2 位置处的剪力墙，增加 X 方向的剪力墙长度，减少 Y 方向的长度，将其变为 T 形结构。删除方案一中 Q3Q6 位置处的X 方向剪力墙，相应更改原洞口处的连梁设计。方案平面图如图 6(b)所示。方案三:对方案二进行调整，减少剪力墙 Q7、Q8 在 X 方向上的中部部分长度，同样，减少剪力墙 Q9Q12 在 Y 方向上的中部部分长度。调整后的平面布置图方案如图 6(c)所示。12粉煤灰综合利用37 卷建筑结构(a)方案一(b)方案二(c)方案三图 6三种方案的平面图Fig.6Plan of three schemes对于上述三种方案，在相同的条件下进行计算比较。2.3.1振动周期对比三种设计方案的振动周期情况如图 7 所示。由图 7 中可以看到，在不同的振型情况下，方案一的振动周期是最低的，方案二次之，方案三周期最大。计算后得到三种方案的振动周期比分别为 0.712、0.754、0.760，符合高层建筑的振动周期比不宜大于 0.9 的规定，因此三种方案均图 7振动周期对比情况Fig.7Comparison of vibration periods合理且有效。2.3.2不同参数对比不同方案的参数对比结果见表 2。表 2不同方案参数对比情况Table 2Comparison of parameters of different schemes方向方案最大位移比最大层间位移角刚重比X 向方案一1.031/20613.29方案二1.081/16682.95方案三1.071/16202.74Y 向方案一1.251/11904.58方案二1.281/10625.16方案三1.271/10163.98由表 2 中可以看到，三种方案在 X 方向上的位移比方面，方案二最大，而方案一最小;Y 方向也是相类似，方案二最高，方案一最低。在 X 和 Y 两个方向上，建筑的层间位移角均是方案三最高，而方案一最低。从这个角度可以说明方案三在结构的形变能力方面更好，也可以认为是该结构的抗风抗震能力最高。同时，三种方案该项指标也均符合工程规范要求的不大于1/1000的情况。三个方案的刚重比皆大于 2.7 的标准限值，因此不需考虑二阶重力效应情况。数据结果也显示，在风力荷载的作用下，X、Y 方向的刚重比，均为方案一最大，而方案三最小。可以证明在风荷载的作用下，方案三的结构更具备柔性，承受能力也更强。2.3.3方案对比结果对于住宅等建筑的剪力墙结构来说，其结构优化的同时，需要满足建筑规范的要求。对于剪力墙结构的优化，其优化目标主要是使建筑的刚度比不小于 0.9。本文三种方案均符合该条件。对于住宅建筑来说，提升建筑的刚度比，则1 期张前进:风荷载对于装配式剪力墙结构性能影响的研究13建筑结构需要增加剪力墙的厚度，提高建筑的建造成本，如果刚度比过大，则会造成建筑造价和成本过高。设计中应该通过层间最大位移角和振动剪力来控制，在控制建筑成本的条件下使刚度比符合要求。通过结构受到荷载时的水平位移可以有效反映结构刚度。上述三种方案中，在其他参数均满足建筑标准的前提下，方案三的弹性形变能力更好，层间位移角最大，因此是三种结构的最优结构。3结论本文主要研究剪力墙建筑在风荷载作用下的结构稳定性情况。主要探讨了剪力墙高宽比、洞口率、厚度以及混凝土强度等参数对于剪力墙建筑性能的影响，分别探讨和比较了基本剪力墙建筑结构，位置优化剪力墙建筑结构和剪力墙长度优化结构三种设计方案的性能。实验结果证明剪力墙长度优化结构具有更好的弹性形变能力，在风荷载的情况下，具有更好的柔性，承载能力更强，为类似结构建筑的优化提供了思路。参考文献 1 虞终军，李歆，王建峰，等.某超高层办公楼结构抗震可恢复性能设计 J/OL.建筑结构学报:112.2 XIE L，CHONG X，ZHANG L.Experimental and numericalinvestigation on the influence of PC window beam on the seismicperformance of PC shear wall structures J.European 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