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干货！对大跨度平板-剪力墙结构体系的可行性研究

来源：CABR建筑工业化（id:cabr-jzgyh）

1. 研究背景

对于住宅来说，房间可随意隔断、灵活安排居住空间已经成为人们追求的生活品质。传统剪力墙结构住宅由于套内存在剪力墙兼做房间隔墙，且位置已经固定，人们无法更改建筑使用功能。而平板－剪力墙结构体系将套内剪力墙全部取消，只保留外围护剪力墙，套内仅布置轻质隔墙，相比于传统剪力墙结构可获得更大的建筑空间；同时楼盖系统采用无梁楼盖，加大楼板厚度，楼板具有较强的承载力，可允许任意位置设置隔墙，十分适合有分户要求和灵活隔断的住宅建筑（图1）。

在平板-剪力墙结构体系中，楼面梁和户型套内剪力墙的去除，使得楼板不仅要承担板面竖向荷载（恒载、活载），又要和外围护剪力墙组成抗侧力结构共同抵抗水平荷载（地震、风荷载）。现行规范抗震设防目标是＂小震不坏、中震可修、大震不倒＂，如何保证平板-剪力墙体系在小震或风荷载下满足承载力和弹性变形要求、在大震下满足弹塑性变形等延性要求是该体系能否实现的关键，目前相关研究成果不多，尤其是大跨度平板-剪力墙结构体系的研究工作甚少，本文将对其进行重点探讨。

2. 研究内容

为了深入研究平板-剪力墙体系的抗侧力性能，选取两个典型工程实例，采用平板-剪力墙结构布置，建立准确的可进行地震全过程分析的计算模型。首先对其进行多遇地震和风荷载下的弹性分析，完成结构设计；然后在罕遇地震下进行弹塑性时程分析，研究其在罕遇地震下的抗震性能及破坏形态；最后对平板-剪力墙结构的材料用量进行统计分析。

3. 平板-剪力墙体系结构布置

针对两个有代表性的已建住宅项目（项目1、2），进行平板-剪力墙体系的结构布置。需考虑以下两个方面：

（1）为方便后期更灵活的建筑功能布局，取消套内剪力墙，尽可能实现“一户一楼板”；

（2）根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第9.1.2条规定，无梁支撑的无柱帽双向板跨厚比不宜大于30。参考该规定，结合对建筑净高的影响，平板-剪力墙体系的板厚初步选为跨度的1/30~1/35，并经计算复核确定其安全性。

3.1 项目1结构布置

项目1由地下两层、地上十六层组成，建筑高度53.7m。其中地上首层层高5700mm，为架空层（非住宅功能），二层及以上各层层高均为3200mm，建筑功能为住宅。按传统剪力墙体系布置的标准层建筑平面如图2所示。

根据图2的建筑布置，初步确定平板-剪力墙体系的标准层结构布置如图3所示。其中套内板跨为9100mmx9300mm，受建筑净高所限，选定板厚为250mm，则板的跨厚比9100/250=36.4；楼、电梯间公共区域的短向跨度4500mm，选定板厚150mm，则板的跨厚比为4500/150=30。此外，墙、柱混凝土等级地下~地上3层采用C50，4~16层采用C40；各层梁、板混凝土等级均为C30。

3.2 项目2结构布置

项目2的地下有两层、地上共三十层，建筑高度90m。其中地上各层层高均为3000mm，建筑功能为住宅。按传统剪力墙体系布置的标准层建筑平面如图4。

根据图4的建筑布置，初步确定平板-剪力墙体系的标准层结构布置如图5所示。其中北侧户型套内板跨为10600mmx8450mm，受建筑净高所限，选定板厚为250mm，则板的跨厚比8450/250=33.8；南侧户型套内板跨为10300mmx7000mm，选定板厚200mm，则板的跨厚比为7000/200=35。此外，墙、柱混凝土等级地下~地上8层采用C60，9~16层采用C50，17~30层采用C40；各层梁、板混凝土等级均为C30。

4.平板-剪力墙体系受力性能

4.1 小震和风荷载分析

4.1.1 计算模型

根据上述项目1、2的平板-剪力墙体系结构布置，利用SATWE软件建立结构计算模型，分别如图6（a）、（b）所示。

4.1.2 计算参数及荷载

由于平板-剪力墙体系中楼板与外围护剪力墙共同组成抗侧力结构抵抗水平荷载，故与传统剪力墙体系相比，计算参数的设定有以下区别：

1）楼板需要按弹性板考虑，而不是传统剪力墙体系中的刚性板假定；

2）楼板采用有限元方法进行设计；

3）剪力墙既承担面内水平荷载，又和楼板组成抗侧力体系协同抵抗面外水平荷载，故墙体需要补充面外承载力验算。

地震和风荷载参数如下：抗震设防烈度为7度（0.1g），场地类别Ⅲ类，设计地震分组第一组；基本风压0.85kN/m2，地面粗糙度B类。

4.1.3 分析结果

（1）周期

表1列出了两个项目的1~4阶周期和振型，前两阶振型均为单向平动，第3阶振型变为整体扭转。扭转周期比分别为1.39/2.03=0.68（项目1）、2.15/2.49=0.86（项目2），均小于0.9，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010要求。

（2）位移比

在考虑偶然偏心的X向、Y向地震作用下，两个项目各楼层的最大位移比和层间位移比见表2。可以看出，楼层最大位移比和层间位移比均在1.2左右，小于规范限值1.5，满足要求。

（3）层间位移角

如表3所示，在小震和风荷载工况下，项目1、2的层间位移角最大值分别为1/1267、1/1119，均满足规范限值1/1000的要求。其中X向层间位移角为地震工况控制，Y向层间位移角则由风荷载控制。

（4）墙体轴压比

两个项目底层墙体的轴压比分别如图7（a）、（b）所示。由图可知，项目1在南侧小墙肢位置轴压比达到最大0.51，其余位置均小于0.3；项目2墙体的最大轴压比为0.48。均小于限值0.6，满足规范要求。

（5）板配筋

由于厚板板面配筋较板底更大，本文仅给出各层楼板的最大板面配筋分布，如图8所示。可以看出，板面配筋最大值集中分布在厚板的周边支座处，跨中板面配筋均为构造。

4.2 罕遇地震分析

利用SAUSAGE软件对项目1、2的平板-剪力墙体系进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，研究其破坏模式、抗震性能等。

4.2.1 地震波选取

选取3组地震波，其中两组天然波，一组人工波。表4为所选地震波的基本信息，图9为地震波的加速度时程曲线。地震波考虑X、Y双向输入，按1：0.85调整主、次向加速度峰值，加速度峰值取为220 cm/s2，持续时间20s。

4.2.2 项目1结果

（1）层间位移角

项目1在罕遇地震作用下层间位移角沿楼层的变化曲线如图10所示。可以看出：X向层间位移角在中间偏下楼层（5/6层）最大，最大层间位移角为1/218；Y向层间位移角在中上楼层（10/11层）最大，最大层间位移角1/257。均满足弹塑性层间位移角限值1/120的规范要求。

（2）墙体损伤

项目1的墙体分组见图11，“外墙一”为X向墙体，“外墙二”和“内墙”为Y向墙体，后续墙体损伤情况将按此分组展示。由于不同地震波作用下各组墙体的损伤规律基本一致，限于篇幅，本文仅给出人工波下的墙体损伤情况，如图12所示。

可以看出：外墙一损伤较大的位置位于楼梯间的窗洞连梁及两侧短肢剪力墙，厚板范围内的墙体几乎无损伤；外墙二和内墙的损伤均不大。

（2）楼板损伤

根据楼板的损伤分布，沿高度方向选取三个不同楼层——首层、中间层、顶层分别展示。由于不同地震波作用下楼板的损伤规律基本一致，本文仅给出在天然波1 X向主向输入下的楼板损伤情况，如图13所示。

可以看出：楼板损伤均不大；250mm厚楼板损伤主要集中在靠近山墙位置，150mm厚楼板损伤主要集中在楼、电梯间附近。

4.2.3 项目2结果

罕遇地震作用下，项目2的X向最大层间位移角为1/245，Y向最大层间位移角为1/296，均小于规范限值1/120。限于篇幅，其层间位移角分布曲线不在文中列出。

（1）墙体损伤

项目2的墙体分组见图14，“外墙一”和“内墙”为Y向墙体，“外墙二”为X向墙体，“外墙三”为斜向墙体，后续墙体损伤情况将按此分组展示。由于不同地震波作用下各组墙体的损伤规律基本一致，限于篇幅，本文仅给出人工波下的墙体损伤情况，如图15所示。可以看出：墙体损伤均不大，主要集中在连梁部位。

（2）楼板损伤

同项目1，沿高度方向选取首层、中间层、顶层楼板分别展示。不同地震波作用下楼板的损伤规律基本一致，本文仅给出在天然波2 X向主向输入下的楼板损伤情况，如图16所示。

可以看出：南侧200mm厚楼板损伤主要集中在中间分户墙位置，同时由于应力集中在楼板外边缘的角部也出现了一定损伤；北侧250mm厚楼板损伤主要集中在与薄板的交接处，同时在楼板外边缘的角部也有损伤。

5.平板-剪力墙体系经济性分析

为进行经济性分析，对两个项目分别采用传统剪力墙体系和平板-剪力墙体系的混凝土用量、钢筋用量进行统计对比，详见表5~6。由表中数据可知，平板-剪力墙体系的材料用量与传统剪力墙体系相比略低或持平。

6.结论

（1）在小震和风荷载作用下，平板-剪力墙体系的周期比、层间位移角、位移比等整体指标均满足规范要求，构件验算也满足承载力要求。整体能够实现“小震不坏”的设防目标；

（2）在罕遇地震作用下，平板-剪力墙体系的层间位移角满足规范限值要求，墙体和楼板的损伤均不大，在规范规定的中等破坏程度以内。整体能够实现“大震不倒”的设防目标；

（3）根据传统剪力墙体系和平板-剪力墙体系的材料用量对比，平板-剪力墙体系的材料用量与传统剪力墙体系相比略低或持平。

综上所述，平板-剪力墙体系在结构受力性能和经济性方面均可行。

（编辑：奚雅青）