局部壁式框架高层结构动力分析

引言
建筑在追求新颖、实用、美观的同时，常常会给结构工作者带来很大的困难。虽然说这些复杂多变的造型都可归结为各种不规则，但是在现今结构设计上的处理都比较单一。而且随着结构复杂程度提高，计算结果的可信度逐渐降低，因此才要求工程师有一定结构概念并掌握多种计算手段以保证结果的可靠度。以下就这类不规则结构选取某个工程作多软件模态对比分析，并针对当前大多数钢筋混凝土高层采用框支剪力墙结构的现状，提出另一种抗侧力体系。
一、工程原方案
所选工程为上海某高校学院楼，采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，建筑总高度35.7m，共9层，首层层高4.5m，其余各层3.9m。建筑由裙楼和主楼组成，结构平面图如图1所示，为二层平面布置图，建筑平面长度有96m，宽度为75m。柱网布置比较规则，开间6m，进深分为6m和9m，图中带编号粗实线框选的是剪力墙的布置情况。

图1：二层结构平面布置图
实际计算结果显示结构的周期比接近0.9，位移比在塔楼底部薄弱层接近1.5，为典型平面不规则结构。由工程概况可知，裙楼与主楼相比所占面积很大，又是一个竖向刚度不均匀的结构，质量中心与刚度中心的严重偏离必然引起强烈的扭转行为。裙楼面积大，有足够柱子和剪力墙，抑制了扭转幅度，而主楼抗侧力构件不足，显然会对角柱形成巨大的剪力，引起破坏。为控制扭转效应，就必须增加剪力墙的数量，结构平面越不规则，需要的剪力墙数量就越多。剪力墙过多带来各种各样问题，包括吸收更多的地震力，结构延性变差，同时过多的占用使用空间等等。
二、壁式构件抗侧力体系
借鉴巨型结构的原理，在不规则的建筑中采取适当的连接方式组成规则的巨型结构，有利于抗震[1]。但又有别于一般的巨型框架结构，由于没有采用大梁，使得巨型构件并未联系起来，所以在竖向承重上与其余框架未形成主次关系，其工作性能更接近于壁式框架，由壁式构件代替剪力墙承担侧力。
改进方案根据实际情况，将原矩形角柱改为L形柱，采用异形柱作壁式框架的柱肢。为加强柱肢之间的连接，以使其形成有效的工作整体，适当加大主梁高度。而腹杆的布置数量较多时，对格构柱的整体刚度有一定提高，对格构柱极限承载力有一定贡献[2]。因此在半层高度再布置一道小梁，与大梁一块形成密梁，加强柱肢的连接，大梁尺寸为1000×250，小梁为500×250。壁式构件组合成整体性较强的筒状构件之后，将会形成很大的刚度吸收地震力，对于扭转效应严重的结构，宜布置在距离形心较远的位置。改进后方案根据建筑使用空间，将筒状壁式构件设置在楼梯间，楼梯间有条件形成上下连续的竖向构件，并且利用壁式结构加强可满足规范对于保证疏散通道不被破坏的要求。壁式筒状构件成为新的抗侧力体系以后，即可删除大部分原方案中的剪力墙，壁式构件的分布及剪力墙删除情况见图2。
图2：壁式构件布置及删除剪力墙示意

采用通用有限元软件Ansys作验算。建模以Beam188单元模拟混凝土框架柱和框架梁，用shell63单元模拟剪力墙和楼板。Beam188单元可以模拟剪切变形和翘曲，支持大转动和大应变等非线性行为，适合分析细长到中等粗短的构件；而shell63单元可施加面内和面外荷载，且能考虑应力刚化等大变形行为[3]。对于长度是厚度10倍以上的构件，宜用壳单元模拟其行为。对改进够模型进行模态分析，提取可靠度较高的前5阶模态，得到结果如表1所示。
表1：壁式构件体系ANSYS模态分析

因结构自振周期与刚度一一对应的关系[4]，我们看到，在引入壁式筒状构件，并且有目的删除大部分剪力墙后，周期比下降为0.59。这表明：
1、壁式框架中，连梁对柱肢整体抗侧刚度的提升有着显著贡献；
2、壁式构件能有效提供结构抗侧刚度，布置合理情况下还能提供有效抗扭刚度，可缓解剪力墙的布置，为建筑获得大空间提供可能。
三、结语
⑴通过对不规则工程的具体分析研究，结合实际问题提出在框架结构中局部使用壁式构件的思路，结果显示局部壁式结构能够提供有效的抗侧刚度，在替代剪力墙功能的同时，缓解剪力墙与建筑空间的矛盾冲突。
⑵壁式筒状构件不适用于柱网稀疏的建筑，过大的柱肢不利于相互联系形成整体，而且对联系梁的要求也随着跨度的增加而极大提高。
[参考文献]
[1]巨型建筑结构体系的研究与展望,惠卓,秦卫红,吕志涛,东南大学学报,2000年
[2]钢管格构柱稳定极限承载力研究,马智刚,李海峰,工业建筑,2006年
[3]基于ANSYS的高层建筑模态分析,张述政,广东建材,2009年5月
[4]高层建筑结构抗扭的概念设计,陈华龙,广东建材,2008年6月
（作者单位：华南理工大学 土木与交通学院 广东广州）