芻議優化高層建筑剪力墻結構設計的措施

賴海輝

[摘要]文章分析了剪力墻的基本概念,介紹了剪力墻的分類和剪力墻設計的原則,提出了優化高層建筑剪力墻結構設計的措施。

[關鍵詞]高層建筑 剪力墻 設計

2002新規范的頒布實施,使高層剪力墻結構的設計遇到了許多新的特殊的問題。本文僅就高層剪力墻結構設計中一些常見問題的處理方法提出一些看法,僅供設計者參考。

一、剪力墻的基本概念

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱,能承擔各類荷載引起的內力,并能有效控制結構的水平力,這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構。這種結構在高層房屋中被大量運用。剪力墻截面特點是墻肢長度遠大于厚度,自身平面內具有很大的剛度和承載力,平面外剛度和承載力都相對較小,墻肢屬于偏心受壓或偏心受拉構件。同時在剪力墻結構中,墻是一個平面構件,它除了承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外,還承擔豎向壓力;在軸力、彎矩、剪力的復合狀態下工作,其受水平力作用時似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除須滿足剛度強度要求外,還必須滿足非彈性變形反復循環下的延性、能量耗散和控制結構裂而不倒的要求。

二、剪力墻的分類

(一)整截面墻:剪力墻不開洞或洞口面積小于總面積的16%,且洞口長邊尺寸均小于洞口凈距及洞口至墻邊的凈

距。受力性能類似整體的懸臂構件,墻肢法向應力呈線性分布,破壞形態似偏心受壓柱,設計時應盡量將豎向鋼筋分布在墻肢兩端。

(二)整體小開洞墻:當剪力墻洞口上下對齊,成列布置,洞口稍大,形成明確的墻肢和連梁,墻肢和連梁剛度較均勻。受力性能也可按整體懸臂構件考慮,并應考慮墻肢的局部彎矩,水平荷載引起的整體彎矩的85%以上由墻肢軸力所產生的內力矩來平衡,局部彎矩不超過整體彎矩的15%。

(三)聯肢墻:當剪力墻的洞口沿豎向成列布置,洞口面積超過墻體總面積的16%,各墻體由連梁連接,墻肢單獨作用明顯,連梁中部出現反彎點。

三、剪力墻設計的原則

剪力墻在設計中既要滿足位移限值的要求,又要充分發揮框剪結構中各抗側力構件的作用,做到安全、經濟合理。剪力墻合理數量的確定原則是:在滿足規范規定的位移限值條件的前提下,剪力墻數量應盡量減少,但應滿足在基本振型地震作用下,剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%。同時,規范規定框架部分承擔的剪力至少為底部總剪力的20%,或各層框架承擔的地震總剪力中最大值的1.5倍。

四、優化高層建筑剪力墻結構設計的措施

(一)避免出現獨立小墻肢與剪力墻剛度不宜過大

《高層建筑混凝土結構技術規程》(簡稱《高規》)中規定:“矩形截面獨立墻肢的截面高度不宜小于截面寬度的5倍。”一旦出現上述情況,對墻肢軸壓比、配筋等都有嚴格的限制,設計施工都比較困難。在實際設計中,獨立小墻肢基本上可以通過合并洞口等方法消除,或合理布置剪力墻,使小墻肢成為墻體翼緣,其受力狀態明顯好于獨立小墻肢,僅適當加強配筋即可。同時剪力墻結構應具有足夠的延性,細高的剪力墻容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻,從而可避免脆性的剪切破壞。

(二)注重轉換層結構設計

高層建筑功能和形式日益多樣化,當多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部(中部)和下部使用功能不同時,結構布置也要相應改變,要設置轉換構件銜接上下結構,傳遞內力,設置轉換構件的樓層稱為轉換層。因此,對于高位轉換的底部大空間剪力墻結構這樣的復雜結構,應當慎重設計。由于高位轉換時剛度和質量較大的轉換層升高,調整轉換層本身及其上、下的剛度比使之接近是必要的,轉換層本身的剛度和質量不宜大,最終可通過水平力作用下精確的空間分析檢查轉換層附近的層間位移角是否基本均勻。宜盡量選用剛度和重量較小的轉換層結構形式,計算時應多取參與組合的振型數。通過計算仔細分析可能存在的薄弱部位,研究具體的內力分配特點,通過調整內力和構件配筋設計改善薄弱部位的性能。

(三)優化連梁設計

根據《高規》在連梁設計方面的規定,對于連梁非抗震及抗震設計時高跨比大于2.5及小于2.5兩種情況,在截面受剪承載力及配筋方面有不同規定。為此應將連梁進行塑性調幅,以降低剪力設計值。塑性調幅可采用兩種方法:(1)在內力計算前將連梁剛度進行折減;(2)在內力計算之后,將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數。無論采用何種方法,連梁調整后的彎矩、剪力設計值不應低于使用狀況的值,也不宜低于比設防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設計值,以避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁出現裂縫。同時要注重連梁的鉸接處理。

(四)底部加強部位的設計

在剪力墻設計時,一般高層剪力墻結構,底部加強部位的高度可取嵌固部位以上墻肢總高度的1/8和底部兩層高度二者的較大值;底部帶轉換層的高層建筑結構,其剪力墻底部加強部位的高度可取框支層加上框支層以上2層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值。當將地下室頂板視作嵌固部位,在地震作用下的屈服部位將發生在地上樓層,同時將影響到地下1層,此時地下1層的抗震等級不能降低,加強部位的范圍應向下延伸到地下1層,并應按規范要求在地下1層設置約束邊緣構件。

(五)剪力墻結構的抗震薄弱環節及概念設計

振動臺模擬地震試驗結果表明建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是剪力墻結構的抗震薄弱環節。當有扭轉效應,建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂;在地震作用下,高層剪力墻結構將以整體彎曲變形為主,底部外圍的小墻肢,截面面積小且承受較大的豎向荷載,破壞嚴重,尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴重;在剪力墻結構中,由于墻肢剛度相對減小,使連梁受剪破壞的可能性增加。因此,在剪力墻結構設計中,對這些薄弱環節,更應加強概念設計和抗震構造措施。例如,剪力墻在平面上分布要求均勻,使其鋼度中心和建筑物質中心盡量接近,以減小扭轉效應;適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度(宜取250mm,對低部外圍的小墻肢根據需要可取用300mm),加強墻肢端部的暗柱配筋,嚴格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6,以提高墻肢的承載力延性,高層結構中連梁是一個耗能構件連梁的剪切破壞會使結構的延性降低,對抗震不利,設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算,保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結,連梁宜布置在各肢的平面內,避免采用“一”字形墻肢;剪力墻底部加強部位的配筋應符合規范要求等。

五、結束語

總之,在進行剪力墻結構設計時,應根據具體工程的特點,對其剪力墻的受力狀態進行正確的計算分析,并結合其破壞形態進行設計以滿足結構的安全性。只有熟練地掌握規范,并具有良好的結構概念,才能設計出既安全又經濟實用的優秀作品。

參考文獻

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[2]薛運飛,馬曉霞。談剪力墻結構設計中的幾個問題[J]陜西建筑,2008.6