第３６卷第３期 ２０１０年６月 四川建筑科学研究 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｌ６９ 异形柱框架一剪力墙结构的抗震设计与性能分析 庞迎波 ，谢华 （１．广西经济管理干部学院，广西南宁５３０００７； ２．广西建设职业技术学院，广西南宁５３０００３） 摘要：通过对异形柱框架一剪力墙结构的工程实例及构建的矩形柱框架一剪力墙结构进行在地震作用下反应谱分析和弹 塑性时程分析的对比，探讨了异形柱框架一剪力墙结构的动力特性。计算结果表明：异形柱框架一剪力墙结构与矩形柱框 架一剪力墙结构的抗震能力基本相当，但在烈度较高的地区及结构平面不规则时，应考虑地震作用方向角的敏感性对结构的 不利影响。 关键词：异形柱框架一剪力墙结构；矩形柱；反应谱；弹塑性分析；地震作用方向 中图分类号：ＴＵ３７５．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—１９３３（２０１０）０３—１６９—０５ Ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｒａｍｅ－ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉａｌ－ｓｈａｐｅｄ ｃｏｌｕｍｎｓ ＰＡＮＧ Ｙｉｎｇｂｏ ．ＸＩＥ Ｈｕａ （１．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃａｄｒｅ ＣｏＨｅｇｅ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｎｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｒａｍｅ－ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉａｌ—ｓｈａｐｅｄ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ－ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｒｅｃｔａｎｇｌｅ ｃｏｌｕｍｎｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｎｄｅｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ—ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｌ—ｓｈａｐｅｄ ｃｏｌａｕｍｎｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｌｉｔｔｌｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｂｕｔ ｔｈｅ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｈｅ ｓｅｉｔｓｍｉｃ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｌｉｋｅ ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｉｒｒ％￣ｄａｒ ｐｌａｎｅ ｓｔｕｃｔｕｒｅ．ｒ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒａｍｅ—ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｌ－ａｓｈａｐｅｄ ｃｏｌｕｍｎｓ；ｒｅｃｔａｎｇｌｅ ｃｏｌｍｎ；ｒｕｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｕｍ；ｅｌｒａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｓｅｉｓｍｉＣ ｄｊｒｅｃｔｉｏｎ Ｏ 引 言 随着国民经济的发展，人们对城市住宅建筑的 题。 功能要求不断提高，异形柱结构越来越多地出现在 城市里。异形柱结构是以Ｌ形、Ｔ形和十字形等截 面的异形截面柱代替矩形框架柱作为竖向支承构件 而组成的结构。发展这种结构体系的基本思路是根 据建筑功能及建筑布置的要求，在结构不同部位采 取相应形状截面的异形柱，异形柱的柱肢厚度、梁宽 度与框架填充墙协调一致，避免框架柱在屋角凸出 而影响建筑观瞻及使用功能。异形柱与矩形柱在截 面特性及抗震性能上均存在较大差异，若截面形状 是不对称的，则其性能则更为复杂，这些都是异形柱 框架一剪力墙结构地震作用计算中不容忽视的问 收稿日期；２００９－０６－０８ 作者简介：庞迎波（１９７８一），男，广西柳州人，硕士，讲师，主要从事 结构抗震方面的研究。 基金项目：广西经济管理干部学院科研项目（０９Ｂ０８０１０） Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｘｐｙｂ＠ｑｑ．ｔｏｎｉ １ 异形柱框架一剪力墙结构设计的 几个重要问题 １．１ 强调概念设计优化结构方案 异形柱结构在方案阶段的抗震概念设计尤为重 要，其首要问题就是选择合理的结构形式和确定可 靠的传力途径。在小高层建筑中宜采用异形柱框 架一剪力墙结构，剪力墙作为第一道抗震防线，异形 柱框架作为第二道防线，增强结构的抗震能力。 结构应设计成双向抗侧力体系，结构平面形状 宜规则、对称，结构在主轴的两个方向的动力特性宜 相近，在楼梯问和电梯井应合理地布置剪力墙或一 般框架柱，尽量使结构的质心和刚心重合，避免虚假 对称的结构平面并加强结构周边的抗扭刚度，减小 扭转效应可能导致的严重震害。框架纵横柱网轴线 宜分别对齐拉通以形成完整的框架，柱截面肢厚中 心线宜与框架梁中心线及剪力墙中心线对齐，尽量 避免由于二者中心线偏移对受力带来的不利影响。 １７０ 四川建筑科学研究 第３６卷 抗震设计时，结构两主轴方向均应布置剪力墙且剪 力墙的间距不宜过大，当剪力墙之间的楼板有较大 开洞时，间距应适当减小，否则，在侧向力作用下不 能保证楼盖的平面刚度，削弱对楼板的约束能力而 导致计算结果与实际结构不符。对异形柱结构中处 于受力不利部位的异形柱，例如结构平面柱网轴线 斜交处及平面凹进不规则等部位，可采用一般框架 柱，以改善结构的整体受力性能。 结构体系沿竖向的刚度变化应均匀，避免过大 在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行 抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧 力构件承担，７度（０．１５ ｇ）及８度（０．２０ ｇ）时尚应对 与主轴成４５。方向进行补充验算。” ２ 算 例 为了研究异形柱框剪结构与矩形柱框剪结构抗 震性能的差异，采用中国建筑科学研究院的ＰＫＰＭ 软件分别建立了三维空间分析模型，为了使异形柱 的外挑和内收，造成结构的刚度突变，产生薄弱层塑 性变形集中现象。 １．２注重延性设计 １．２．１控制轴压比 异形柱结构中柱轴压比的控制是延性设计的一 个关键问题。异形柱的延性较矩形柱差，其原因主 要是由于异形柱的剪力中心与截面形心不重合，产 生的剪应力使柱肢混凝土先于矩形柱出现裂缝，延 性降低，且柱的延性随着轴压比的增大而急剧下降。 为了保证异形柱结构的延性要求，《混凝土异形柱 结构技术规程》规定柱的轴压比应满足一定的限 值，其要求比一般框架柱更严格。在抗震设计中，为 了保证柱满足轴压比的要求，一是应优化柱网布置， 合理分配柱的负载范围，一般柱网尺寸取４—６ ｉｎ较 优；二是提高混凝土的强度等级；三是保证柱有足够 大的截面尺寸，在不影响建筑美观的前提下，建议加 厚柱肢，也有利于解决肢厚过薄而造成的粘结强度 不足及节点核心区钢筋设置的困难；四是控制建筑 高度，降低底层异形柱的轴力。 １．２．２考虑地震作用方向对异形柱正截面承载力 的影响 等肢Ｔ形截面有２根对称轴，等肢Ｌ形截面有 １根对称轴，而不等肢Ｌ形截面没有对称轴。由截 面的几何特征可知，等肢Ｔ形截面柱的０。和９Ｏ。形 心方向轴与等肢Ｌ形截面柱的４５。和１３５。形心方向 轴分刮是各自的强轴和弱轴，惯性矩分别为最大和 最小值。而截面惯性矩近似反映其刚度的大小，所 以与矩形柱结构相比，Ｔ形、Ｌ形柱在不同的方向上 的刚度差异较大。且水平地震作用是按抗侧刚度分 配，由于不同方向各个柱之间的刚度相对比例不同， 所分配的地震作用也就有比较大的差别。因此，地 震作用的方向角对异形柱的双偏压正截面承载力有 重要影响。当异形柱结构中混合使用等肢异形柱与 不等肢异形柱时，则差异情况更为复杂。但由于６ 度、７度（０．１０ ｇ）抗震设计时，异形柱的截面设计一 般是由构造配筋控制，所以《混凝土异形柱结构技 术规程》４．２．４条第１款规定：“一般情况下，应允许 框剪结构（模型１）与矩形柱框剪结构（模型２）具有 图１模型１结构标准层平面 Ｆｉｇ．１ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｌｏｏｒ ｐｌａｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ １ 图２模型２结构标准层平面 Ｆｉｇ．２ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｌｏｏｒ ｐｌａｎ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ２ 庞迎波，等：异形柱框架一剪力墙结构的抗震设计与性能分析 １７１ 可比性，矩形柱框剪结构模型中按照等惯性矩的原 ０．１ ｇ，特征周期为０．３５ Ｓ，设计地震分组为第１组， 基本风压为０．３５ ｋＮ／ｍ ，场地土类别为Ⅱ类，地面 粗糙度为ｃ类。 ２．２反应谱分析 则换算了矩形框架柱的截面尺寸。多遇地震作用下 的弹性分析以ＳＡＴＷＥ程序进行，罕遇地震作用下 的弹塑性动力时程分析采用ＥＰＤＡ。 ２．１ 工程概况 地震作用计算考虑双向地震作用，采用总刚分 析方法，取ｌ５个振形计算。考虑异形柱在不同的方 向上的刚度差异较大，模型ｌ按地震方向角取Ｏ。和 ４５。分别计算。 ２．２．１ 自振周期 该工程为ｌ幢小高层住宅，地下１层，地上ｌ０ 层，底层层高４．２ ｍ；２—９层均为住宅，层高２．８ ｍ； 顶层为坡屋顶阁楼；建筑总高度３１．２ ｍ；柱和剪力 墙的混凝土采用Ｃ４０，板和梁的混凝土采用Ｃ２５。 工程抗震设防烈度为７度，设计基本地震加速度为 表Ｉ结构自振周期 Ｔａｂｌｅ １ Ｎａｔｕｒａｌ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 模型Ｉ，２的前九阶周期及平动、扭转模态见表１。 框架—剪力墙结构自振周期的合理范围为 ＝各柱内力时，由表２可知，虽然模型１与模型２的基 ０．０８—０．１２ｎ（其中ｎ为结构计算层数），相应的 底剪力比较接近，而从挑选出来的若干Ｌ，Ｔ形代表 柱（包括角柱、边柱和中柱）来看，单独各柱的剪力 第二、第三周期近似为： ＝（１／３～１／５） ， ＝ （１／５—１／７） ，从表中可以看出，异形柱框剪结构 和矩形柱框剪结构的周期约为０．０９ ，均处于合理 有较大差异，特另ｌＪ是Ｌ形柱在 方向和ｙ方向均差 异明显，见表３，４。 的范围内，刚度略为偏大，其中模型１的自振周期大 于模型２的自振周期，说明按等惯性矩换算的矩形 柱结构的整体刚度略大于异形柱结构的刚度。模型 ｌ（０。）、模型ｌ（４５。）和模型２的周期比分别为 ０．８５８４，０．８５０６和０．８６４２，均小于０．９，扭转效应满 足ＪＧＪ ３—２００２（（高规》第４．３．５条的规定。 ２．２．２顶点位移和层间位移角 ０ １／６４００ １／３２００ １／１６００ １／８００ 模型Ｉ与模型２双向的顶点位移及最大层间位 移角基本接近，两者的 方向和ｙ方向的最大层间 位移角均发生在第６层（该层亦为柱变截面层），其 方向最大层间位移角（ｒ ） 图３层问位移角曲线 矾ｇ．３ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｔｏｒｙ ｄｒｉｆｔ ａｎｇｌｅ 值见表２，远小于异形柱框剪结构的１／８５０和普通 框剪结构的１／８００的规范限值，说明在多遇地震下， 两者结构抗侧刚度较大，且对４５。地震作用方向角 的敏感性不强。两者的侧移曲线亦符合框剪结构弯 剪型的特点。 表２结构位移与基底剪力 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｈｅａｒ 图４层间剪力曲线 Ｆｉｇ．４ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｒｙ ｓｈｅａｒ ２．２．３基底剪力 ２．３弹塑性时程分析 从图４可知，２个模型的楼层剪力变化都较为 均匀，无突变层， 构竖向刚度比较合理。但在分析 动力方程解法采用Ｎｅｗｍａｒｋ—Ｂ法，恢复力模型 按三线型模型考虑。 １７２ ｌ￣）ｉｌ建筑科学研究 第３６卷 ２．３．１地震波的选取 地震波发生的随机性很大，时程分析时，结构的 地震反应随输入的地震波的不同将会产生较大的差 异，为了保证结构弹塑性动力分析的合理性，进行时 程分析时，按建筑场地类别和设计地震分组应选用 最大的为人工波 向顶点位移，相差９．４％，比较接 近。 （２）但地震波方向角为４５。时，两个方向的顶点 位移发生较大的增长，Ｅｌｃｅｎｔｒｏ波激励下 向和ｌ， 向的顶点位移增幅分别达到３９％和２８％，即地震波 方向角对异形柱框剪结构的变形性能影响较大。 …～一不少于２组的实际强震记录和１组人工模拟的加速 度时程曲线。本文在选取地震波时，考虑地震波的 振幅、频谱特性和地震动持续时间，选取的地震波 为：Ｅｌｃｅｎｔｒｏ波、Ｔａｆｔ波和一条按场地（Ⅱ类）及特征 周期（０．３５ ｓ）选的人工波。地震波持时均取２０ Ｓ， １５０ ７ ． 模型１（０。） ．． 矾／ ～一侵型ｌ（４≯ ５。 一Ｖ 登 。 ． Ｗ、 ＼Ｊｖ Ｖ 计算步长取０．０２ Ｓ，地震波峰值加速度均调整为２２０ ｇａｌ。 簧＿Ｉ５０ ２．３．２顶点位移和层间位移角 ‘／＼／＼ 一瓜． ．——模一‘一 ￣型ｄ １（４５ 。 顶点位移时程曲线如图５所示（由于Ｅｌｃｅｎｔｒｏ 波、Ｔａｆｔ波和人工波的位移时程反应规律基本相似， 本文仅列出Ｅｌｅｅｎｔｒｏ波激励下的曲线）。 （１）当地震波按０。和９Ｏ。正交输入时，由图５可 知，异形柱框剪结构与矩形柱框剪结构的变形能力 Ｖ Ｖ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ 时间／ｓ 图５ Ｅｌｅｅｎｔｒｏ波作用下顶点位移时程曲线 Ｆｉｇ．５ Ｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｏｐ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｎ Ｅｌｅｎｔｒｏ ｗａｖｅ ｃ基本相当，从表５也可看出，在３条波的作用下，两 个结构在 向和ｌ，向的顶点位移相差不超过１０％， 表５结构位移与基底剪力 Ｔａｂｌｅ ５ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｈｅａｒ 注：括号内数字为最大位移角发生楼层。 从表５、图６中均可以看出： （１）当地震波正交输入时，在不同的地震波激 ２０１０ Ｎｏ．３ 庞迎波，等：异形柱框架一剪力墙结构的抗震设计与性能分析 １７３ 励作用下，模型１，２结构的层间位移角有一定的差 异，但差异并不大，两者在 向Ｉ，向的刚度比较接 近且 向略刚，模型１的最大层间位移角为１／１５７， 致内力变化的差异，除与不同的地震作用方向及柱 截面形状有关外，还受结构平面形状、结构布置及柱 所在位置等因素影响，应加以注意。 发生于第３层（由Ｔａｆｔ波产生），满足《混凝土异形 柱结构设计规范》规定的１／ｌ１Ｏ的限值要求；模型２ 的最大层间位移角为１／１４４，发生于第２层（由Ｔａｆｔ ３ 结 语 本文通过对一实际异形柱框架一剪力墙结构的 对比分析，得出以下结论： 波产生），满足《建筑抗震设计规范》规定的１／１２０ 的限值要求。 （１）在６度及７度（０．１ ｇ）等低烈度地区，多遇 地震作用下，异形柱框架一剪力墙结构与矩形柱框 （２）地震波方向角为４５。时，结构层问位移角明 显变大，从图６可直观地看出：按双向地震作用计算 时，明显包络不住４５。地震作用方向的层间位移角 计算结果，最大层问位移角为Ｔａｆｔ波激励下的１／ １１６，比０。时增加了４７％，虽然仍能满足规范限值要 求，在罕遇地震时，能满足规范规定的“大震不倒” 的设计原则，但说明了该方向抗侧刚度较弱，该异形 柱框剪结构对４５。地震作用方向角较为敏感。 ０ ２ ４ ６ ８ １０ ０ ２ ４ ６ ８ １０ 向层间位移角（１／ｌｏｏｏ） Ｙ向层间位移角（１／１￣０） 图６ Ｅｌｅｅｎｔｒｏ波激励下层间位移角曲线 Ｆｉｇ．６ Ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｓｔｏｒｙ ｄｒｉｆｔ ａｎｇｌｅ ｏｎ Ｅｌｅｅｎｔｒｏ ｗａｖｅ ２．３．３基底剪力 在不同的地震波的作用下，当地震波按０。及 ９０。正交方向水平输入时，模型１，２的基底剪力较接 近，普遍为矩形柱结构略大。与正交方向地震波激 励下计算所得的结构底部剪力相比，按４５。方向地 震作用计算所得的结构底部剪力均有所减小，减小 幅度与地震波的频谱特性相关，人工波作用下减幅 最大，达到２７％，但即使基底剪力减小，在部分异形 柱构件中却出现柱端剪力增大的情况，这是因为导 架一剪力墙结构的抗震能力基本相当，其控制顶点 位移、层间位移角和基底剪力接近，但由于异形柱， 特别是Ｌ形柱的截面特性有差异，所以与矩形柱相 比，结构中部分异形柱构件的内力有较大差异。 （２）当考虑罕遇地震下结构抗震性能或结构平 面不规则、大量使用不等肢异形柱特别是Ｌ形柱 时，应考虑地震方向角的敏感性对结构的不利影响， 补充４５。方向角及其他敏感角度计算分析。分析 时，应根据场地条件及结构特性选用合适的地震波 以保证结构可靠。 （３）异形柱框架一剪力墙结构具有很好的建筑 使用功能及适应高度，在低烈度地区具有很大的应 用范围，而由于该结构有着如上分析的抗震特点，因 此，在设计时更应强调概念设计，注重延性性能，平 面布置宜规则，在重要位置采用矩形柱以弱化异形 柱截面刚度差异较大的特点。 参考文献： ［１］ＧＢ ５００１１—２００１建筑抗震设计规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业 出版社，２００８． ［２］ＪＧＪ １４９—２ｏ０６混凝土异形柱结构技术规范［ｓ］．北京：中国建 、筑工业出版社，２００６． ［３］ 王滋军，刘伟庆，蒋永生．中高层钢筋混凝土异形柱框架结构 弹塑性时程分析［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００１，２１（３）：６０— ６４． ［４］ 杨正海，潘文，何玲，等．水平地震作用方向对异形柱结构 整体分析的影响［Ｊ］．世界地震工程，２００６，２２（３）：１６０—１６５． ［５］柯江，高兑现．异形柱框架结构与矩形柱框架结构受力特性 比较［Ｊ］．建筑结构，２００６，３６（２）：４４＿４５．
