基于SATWE下短肢剪力墙和普通剪力墙的性能对比

摘 要：本文着重研究了短肢剪力墙和普通剪力墙的受力特性和分类以及理论计算方法，并结合济源东方国际花园住宅工程对比分析了短肢剪力墙和普通剪力墙的受力性能及经济效益等。

关键词：短肢剪力墙结构；satwe；抗震性能；经济性能

中图分类号：TU973文献标识码： A

1.工程概况

本文计算模型来源于源东方国际花园住宅楼，该工程位于济源市济源大道与愚公路交叉口的东北部，主要功能为住宅用房。建筑长23.10m，宽13.50m，室内外高差0.450m，总高度为49.750m。该工程地上十七层，地下一层，地下室层高为5.350m,标准层层高为2.900m。本楼采用的体系为现浇钢筋混凝土剪力墙结构。

2. 设计依据

针对济源东方国际花园的住宅剪力墙设计，为了使计算的数据更符合实际，需要考虑结构的设计年限、所处的自然条件，严格执行现行规范、规程和规定。对于该工程，采用以下设计依据：

1、济源东方国际花园主体的结构设计使用年限是50年；

2、自然条件：

基本风压： ；地面粗糙度为B类

基本雪压： ；设计地震分组为第二组

抗震设防烈度：7度；该建筑物的建筑场地类别判定为Ⅲ类

3. 设计计算程序

针对济源东方国际花园住宅，使用建科院研制的SATWE（2010年9月版）进行结构分析,进行了结构整体分析，结构整体分析采用空间杆-壳元墙元模型；楼板采用塑性理论计算。

本文对模型计算采用SATWE软件，进行结构建模、荷载输入、楼层组装以及参数设置，并进行结构设计计算。为了更接近工程实际情况，得出合理的数据，输入正确的参数，对模型进行计算分析。

4. 平面布置方案及计算结果分析对比

4. 1平面布置方案

为了尽可能减少风和地震荷载对结构的影响，结构的平面布置尽量均匀对称。对该类工程的住宅，一般情况下会采用传统的普通剪力墙体系。因为如采用短肢剪力墙体系，就可能使结构变柔，结构顶点位移和层间位移不一定能满足规范要求，底部剪力系数也偏低，结构趋于不安全。针对地震分类为六、七度的地区，常采用普通剪力墙结构体系，但有可能刚度偏大。为了得出两种结构体系的性能异同，本文建立两个方案，方案一采用普通剪力墙结构体系，按照建筑图的洞口布置建立模型(局部按照规范要求设置构造洞口)，见图1，方案二采用短肢剪力墙结构体系，见图2。

比较方案1和方案2，可以看出，两方案主要的主要区别在于剪力墙数量以及长度的不同，突出表现在电梯、风井和水暖井处。从图中可以看出方案1较方案2，通过减少墙体长度以及减小墙体长度使之短肢剪力墙的数量增加，从而达到适度减小结构局部刚度和整体整体刚度的目的。

4.2计算结果分析及对比

结合上述建筑物的工程概况及设计依据，考虑了结构的建筑分类等级、荷载取值及设计依据和平面布置对工程进行建模分析，分别对普通剪力墙（以下简称方案一）和短肢剪力墙（以下简称方案二）进行SATWE建模分析，得出以下计算结果。

4.2.1 结构剪重比

剪重比是指地震作用与等效重力荷载的比例。规范对其控制的主要意义是针对长周期结构，这是由于采用振型分解反应谱法和底部剪力法对长周期结构进行计算时，地震影响系数取值可能偏低从而带来相应计算的地震作用也偏低，这样就使得整个结构的安全性不能很好的保证。因而规范规定：楼层水平地震剪力的最小值不应小于1.6%。而有效质量系数为根据振型数对地震作用效应的贡献程度（百分率）来计算，为了判断振型数是否取的足够，规范对其的最小值进行规定，不应小于90%。

计算结果为：X方向，剪重比：方案一2.68%；方案二 2.46%。有效质量系数：方案一99.50%；方案二 99.51%。Y方向，剪重比：方案一2.56%；方案二 2.22%。有效质量系数：方案一99.50%；方案二 99.86%。

从计算结果中可以看出方案一在X、Y方向的楼层最小剪重比分别为2.68%和2.56%，方案二在X、Y方向的楼层最小剪重比分别为2.46%和2.22%，都大于规范规定的1.6%，满足规范的要求。而普通剪力墙结构的剪重比大于短肢剪力墙的剪重比，这是由于普通剪力墙结构刚度更大。但在满足规范规定的前提下，没必要刻意去提高，造成不必要的浪费。同时还可以看出方案一在X、Y方向的有效质量系数分别为99.50%和99.50%，方案二在X、Y方向的有效质量系数分别为99.51%和99.86%，均大于90%，满足规范要求，得出该工程的振型数取得足够。

4.2.2结构周期

周期比主要是考虑结构的扭转效应，使结构不出现大的扭转。控制结构的周期比主要是控制结构的扭转，使抗侧力构件更有效更合理发挥作用。而软件通常的计算结果却只有周期信息，不直接给出周期比。如表1所示为方案一和方案二结构的各阵型周期数据。

表1地震信息

（该表中的振动周期考虑扭转藕联时的作用（秒）、X、Y方向的平动系数、扭动系数）

方案一地震作用最大的方向=86.971（度）

方案二地震作用最大的方向= -1.382（度）

由表1，可以看出方案一的第一周期为1.4971s，方案二的第一周期为1.5104s，均满足《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)对剪力墙结构和筒中筒结构第一周期的经验公式 (n为楼层数)的规定。由表1可以看出两个模型计算的结构第一自振周期误差在5％以内，说明模型比较合理，与实际情况相符。同时可以看出方案一的第一扭转周期为1.2500s，方案二的第一扭转周期为1.2411s。

方案一的扭转周期与平动周期之比为0.835，方案二的扭转周期与平动周期之比为0.826，两个方案均满足规范对周期比不大于0.9的要求。但是从周期来看，可以看出方案一中，X、Y方向周期有一定的差距，这是由于Y方向刚度比X方向刚度大，而方案二中，X、Y方向周期差距很小，这说明方案二的平面布置更加合理。从平动系数上来看，方案一，X、Y方向平动耦联效应较小，而方案二X、Y方向平动耦联效应较大，这也与X、Y方向刚度比较接近分不开的。

4.2.3两种结构模型经济性能的比较

针对济源东方国际花园住宅的工程造价，作了如下分析，建筑造价起主要作用的就是钢筋用量和混凝土用量。对于小高层住宅降低土建成本的主要手段是降低结构整体刚度，在保证结构安全的情况下，充分利用钢筋和混凝土材料强度,避免浪费。由表7可以看出，方案一中钢筋和混凝土的用量分别为380229.59和1819.10，方案一中钢筋和混凝土的用量分别为328853.27和1704.22。得出在短肢剪力墙和普通剪力墙均满足结构规范条件下，随着墙体的减少，整体结构的总造价稍微有所降低，具有很好的经济性能，是具有经济性的新型结构体系。

表2钢筋与混凝土用量表

5.结论

本文针对济源东方国际花园住宅结构设计的主要结构控制指标进行分析，对比普通剪力墙结构，得出短肢剪力墙结构有稍弱的抗震性能，但减重比、周期信息均满足《规范》的要求，表明短肢剪力墙结构的抗震性能较好，适合在低设防烈度，如6、7度抗震设防区推广使用。同时通过对两个方案的的经济性能进行分析研究，可以得出短肢剪力墙结构体系具有很好的经济效应的结论。

参考文献

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[4]杨海涛，吕芳．姚建明．浅析短肢剪力墙结构体系[J].住宅科技,2004,2.