型钢混凝土剪力墙不同建模方式下的结构响应分析

项目
楼层数
高度
达拉斯第一国际大厦
72 层
276 米
休斯顿第一城市大楼
49 层
207 米
休斯顿德克斯商业中心大厦
79 层
305 米
斯顿海湾大厦
52 层
221 米
香港中国银行
72 层
363 米
台湾长谷世贸联合大厦
51 层
244 米
财政部大楼
55 层
242 米
大量使用
10-15 层占 90％以上
2 型钢混凝土剪力墙在 PKPM 中的应用
图 2.4 剪力墙内布置型钢柱 《型钢规程》规定，端部配置型钢的钢筋混凝土剪力墙，其截面刚度可近似按照相同截面的钢 筋混凝土剪力墙计算截面抗弯刚度、轴向刚度、抗剪刚度。如果建模时没有输入型钢，可在计算后 取出剪力墙设计内力，将型钢布置上去，然后按照型钢规程手算端部（型钢暗柱）的配筋。若建模 时输入了型钢柱，除了剪力墙刚度外，程序将型钢柱的刚度带入到了整体内力位移计算中，按照《型 钢规程》8.1.1 条自动识别两侧的钢柱，并对其进行正截面配筋计算，按照规程的 8.1.4 条计算斜截 面承载力。
层间剪力相较其他方案整体偏小，但方案 2 的底部加强区的位移响应在 5-6F 出现了突变，这应该与
7F 以上核心筒剪力墙内不再布置型钢有关，造成 6F 处结构刚度出现突变，宏观表现即结构的层间
位移角出现突变。可见，方案 2 即核心筒采用端柱内布置型钢对于楼层刚度的影响比较显著。
罕遇地震下各种布置方案下结构的地震响应情况，我们通过弹塑性动力分析的损伤云图来分析。
混凝土剪力墙（亦称 SRC 剪力墙）结构形式最早出现在 20 世纪初的欧美地区，应用工程详见表 1.1
所示。20 世纪 50 年代我国从英国引入了这种结构形式,80 年代中期以后进行了大量的试验研究工作。
近年来在高层、超高层中应用愈加广泛。
地区 美国 美国 美国 美国 中国 中国 新加坡 日本
表 1.1 国内外 SRC 剪力墙及结构的应用实例
2）四边围合的箱型布局形式，更有利于提高结构的抗弯性能。 3）以上方案下的结构响应结果会因具体工程而不同，可在初步设计阶段对不同的结构布置方案 下的结构响应做比较分析后因况采用。 由于笔者能力有限，本文的研究分析忽略钢材的精确用量，在结构用钢量相差不多的前提下对 不同布局下结构的抗震性能响应做了定性分析，希望能对大家提供一定的参考价值，不足之处，还 望补充更正。
型钢混凝土剪力墙不同建模方式下的结构响应分析
陈 辉1 (PKPM 设计软件事业部上海分部，200023)
摘要：本文通过一具体工程实例介绍了型钢混凝土剪力墙的不同建模方式下结构的抗震 性能响应。本文运用 PKPM-SAUSAGE 软件分析了结构在罕遇地震作用下的位移、层间剪
力及筒体墙肢损伤响应，从结构概念设计的角度得出了几点结论，希望能为各位同行提供 一定的参考价值。
本文介绍了型钢混凝土剪力墙在 PKPM 中的三种建模方式，通过一个具体的框架核心筒结构阐述 了五种型钢剪力墙布置方式下结构在罕遇地震作用下的位移、底部剪力及损伤响应。分析得出如下 结论：
1）“刚者易折”，结构并非越刚越好。好的结构设计方案，应能融入结构概念设计，充分发挥结 构延性，做到“以柔克刚”“刚柔兼济”，更好地抵抗地震作用。
《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）[1]编入了型钢混凝土剪力墙设计的内容。型 钢混凝土剪力墙的类型大致有 3 种：1）两端配有型钢的型钢混凝土剪力墙；2）周边配有型钢混凝 土梁、柱的型钢混凝土剪力墙；3）墙内配置实心钢板或板撑。对应于 PKPM 软件中的三种型钢混凝 土剪力墙主要是以下三类[2]：
2.4 不同建模方式下结果对比分析
三种不同建模对结构的具体影响，下面通过一个具体工程案例来分析。某工程位于地震烈度 7 度（0.1g）区，钢筋混凝土框架-核心筒结构，地上 48 层，地下 4 层，建筑高度 190.2 米，用作办公 楼。现对于核心筒部分采用五种结构布置方案：
1） 底部加强区（地面以上 1-5F）核心筒采用普通的剪力墙； 2） 底部加强区（地面以上 1-5F）核心筒采用端柱内布置型钢，如图 2.2 所示； 3） 底部加强区（地面以上 1-5F）核心筒采用剪力墙内布置型钢柱，如图 2.4 所示； 4） 底部加强区（地面以上 1-5F）核心筒采用剪力墙内布置钢斜撑，如图 2.5 所示。 5） 底部加强区（地面以上 1-5F）核心筒采用剪力墙上围钢支撑，如图 2.6 所示。
关键词：型钢混凝土剪力墙，位移响应，墙肢损伤
1 引言
型钢混凝土构件是以型钢为钢骨并在型钢周围配置钢筋浇筑混凝土后而形成的一种新型组合混
凝土构件。由于型钢混凝土中的型钢与其外包混凝土能够共同工作，两种材料的强度都能得到充分
利用。与钢筋混凝土构件相比，型钢混凝土构件具有承载力大、延性好、抗震能力强的特点。型钢
3）以上方案下的结构响应结果会因具体工程而不同，可在初步设计阶段对不同的结构布置方案 下的结构响应做比较分析后因况采用。
1)方案 1
2) 方案 2
3)方案 3
4)方案 4
5)方案 5
图 2.9 罕遇地震下结构底部加强区范围内墙肢损伤图
方案 4 底层墙肢损伤
方案 5 底层墙肢损伤
3 结论
图 2.10 罕遇地震下结构底层墙肢损伤图
图 2.3 剪力墙正截面偏心受压承载力计算
2.2 剪力墙内布置型钢柱
对于钢-混凝土混合结构，7 度及以上抗震设防时，宜在楼面钢梁或型钢混凝土梁与钢筋混凝土 筒体交接处及筒体四角设置型钢柱。一方面可以用来抵抗筒体平面外弯曲，另一方面能减少外框柱 与内筒竖向变形差造成的不利影响。
建模时一般将钢柱布置在剪力墙的端部节点上，如图 2.4 所示。
总层间剪力
0 0.000
0.002 0.004 0.006 0.008
X向层间位移角
a)结构总层间剪力图
b)结构 X 向层间位移角
图 2.8 不同布置方案下结构响应图
由图 2.7 和图 2.8 分析得知，该结构在相同地震力作用下，除了方案 2 其他四种方案下结构的
层间剪力和层间位移角响应基本一致，方案 2（即底部加强区核心筒采用端柱内布置型钢）结构总
2.3 剪力墙内布置钢斜撑
对于高层、超高层结构的局部薄弱楼层，当需要增强结构的抗侧能力时，可以在剪力墙腹板内 加设斜向的钢支撑。如图 2.5 所示。
图 2.5 剪力墙内布置钢斜撑 由于《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）中没有给出带有钢斜撑剪力墙的刚度计 算方法，所以在进行配筋计算时，斜撑的验算结果是按照普通斜撑进行的。由于斜撑是埋置在剪力 墙内，他的稳定强度等验算结果可不用参考。
接下来，本文将通过实例具体阐述型钢混凝土剪力墙的三种建模方式及计算结果分析。
2.1 剪力墙端柱内布置型钢
建模时截面类型选择型钢混凝土柱，如图 2.1 所示，将其布置到剪力墙的端部节点上，以便配 筋时程序自动搜索到端柱。计算截面刚度时，程序将柱、墙分开计算。
图 2.1 剪力墙端柱内布置型钢
图 2.2 某框筒结构端柱内配置型钢 计算截面配筋时，程序自动搜索剪力墙两端的型钢端柱尺寸及内部型钢面积，将两者一起作为 一个截面，按照《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）8.1.1 偏心受压公式计算出型钢 柱内的配筋。同时按照规程的 8.1.6 条计算斜截面受剪承载力。具体公式详见《型钢混凝土组合结 构技术规程》（JGJ138-2001），此处不再赘述。
图 2.6 剪力墙上围钢支撑 现采用 PKPM-SAUSAGE 软件计算该结构在罕遇地震作用下的位移、底部剪力及损伤响应，采用某
天然地震波，研究在哪种布置形式下更有利于结构的抗震性能。（此处忽略钢材的精确用量，仅做定 性分析。）
楼层
基底剪力QX（kN)
楼层
100000 80000 60000 40000 20000 0 0 -20000 -40000 -60000 -80000
结构并不是刚度越大越好；“以柔克刚”，合理的结构布局，恰当的结构刚度更有利于发挥结构的耗
能延性作用，罕遇地震下通过恰当的结构位移来耗散内部能量。
2）方案 4 与方案 5 相比较，即核心筒剪力墙内采用钢斜撑和四边围合的钢支撑比较，方案 5 的位移响应略微大于方案 4 的位移响应。但是单看底层墙肢的损伤程度，方案 5 底层墙肢的损伤程 度远小于方案 4 墙肢的损伤程度。究其原因主要是因为方案 5 采用四边围合的钢支撑，将筒体四边 联合起来形成了一个类似箱型的截面，提高了结构整体的抗弯性能，继而损伤较小。
参考文献
[1] JGJ138-2001 型钢混凝土组合结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社.2001. [2] 徐飞略 PKPM 中型钢混凝土剪力墙的建模及计算处理[J]. 2009.07 [3] 计学闰，王力. 结构概念和体系[M].高等教育出版社，2004.
1） 在剪力墙端柱（边框柱）内配置型钢； 2） 在剪力墙内布置型钢柱（暗柱） 3） 在剪力墙内布置型钢梁或者钢斜撑 在剪力墙内配置型钢，可以增建剪力墙平面外刚度，避免出现平面外错断，并改善平面内的受
压区性能，对提高剪力墙的承载能力和延性都很有帮助。PKPM 对于型钢混凝土剪力墙需要解决的两 个主要问题即刚度和承载力（最终以配筋形式体现）。具体来说，一是型钢与混凝土作为一个整体， 其截面抗弯、抗剪及轴向刚度的计算方法。二是型钢混凝土剪力墙的配筋方法。《型钢混凝土组合结 构技术规程》（JGJ138-2001）给出了型钢混凝土剪力墙正截面和斜截面承载力的计算方法，即已知 墙的内力、型钢截面及位置和剪力墙腹板内配筋，可以计算出剪力墙端部的配筋。程序可自动搜索 型钢柱，按照规范提供的公式计算出端部钢骨周围所需配筋面积及剪力墙腹板内抗剪水平分布筋面 积。
由图 2.9 中一系列墙肢损伤图，比较可以得知：
1）方案 1、方案 2、方案 3 相比较，相同时刻，方案 3（即核心筒采用剪力墙内布置型钢柱）
墙肢损伤程度最小，其次是方案 1 墙肢损伤程度，方案 2 中底部加强区范围内墙肢损伤程度最大。
也从侧面反映了一个常见的现象，结构刚度越大，结构吸收的水平地震力越大。可见“刚者易折”，
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方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
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TIME
图 2.7 不同布置方案下结构基底剪力时程曲线图
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