淺談高層剪力墻結構的優化設計

孫雪蘭

0 引言

隨著社會經濟的快速發展和人類活動的需要,城市土地越來越緊張,高層及超高層建筑發展速度越來越快。一般的高層住宅多選用剪力墻結構,所以如何在保證結構安全的前提下,使得高層結構設計更合理經濟已成為當務之急。

1 高層建筑的概念設計

《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)規定:高層建筑結構不應全部采用短肢剪力墻結構。短肢剪力墻較多時,應布置筒體(或一般剪力墻),形成短肢剪力墻與筒體(或一般剪力墻)共同抵抗水平力的剪力墻結構。抗震設計時,筒體和一般墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結構總底部地震傾覆力矩的50%。一般認為短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩的40%～50%時屬于短肢剪力墻結構。

短肢剪力墻結構抗震性能較差,經濟指標不好。所以在實際工程中尤其是地震區盡可能避免采用。設計中應體現使其結構豎向和水平向具有合理的剛度及承載力的分布,盡可能將剪力墻的墻肢截面高度(至少保證一肢)做的比8倍墻厚稍大,符合一般剪力墻,剪力墻也不必按開間布置,兩間合并布置為大開間剪力墻,同時滿足豎向荷載傳遞的要求。剪力墻盡可能設計成“L”形、“T”形,有利于剪力墻結構的穩定性,同時能夠形成較好的側向剛度。在同樣滿足規范的各項指標的情況下,更能減輕結構自重,減小結構構件,有利于降低工程投資。根據工程經驗,對于“L”形、“T”形剪力墻,當一個方向的墻符合一般墻要求時,另一個方向的墻肢不宜過短,較小的墻肢常常會出現較大的配筋,一般宜控制在1 m左右,使墻端暗柱配筋接近構造配筋為宜。

2 剪力墻結構計算的基本假定

剪力墻結構是指一個完全由剪力墻抵抗水平荷載,承受豎向荷載的結構。剪力墻結構整體性好,剛度大,在水平荷載作用下側向變形小。其計算的基本假定:

1)剪力墻結構中每一片墻可以抵抗自身平面內的水平力,而在平面外的剛度很小,可以忽略,但也不是完全不考慮,而是將其作為受力方向剪力墻的翼緣來計算。2)樓板在自身平面內的剛度可視為無限大,而在平面外的剛度很小,可以忽略。即各片剪力墻通過樓板互相聯系協同工作,使各榀剪力墻保持變形協調。3)不考慮剪力墻的軸向變形及基礎扭動影響。

3 剪力墻結構設計計算原則

剪力墻結構設計時,應根據規范要求綜合考察結構是否合理,下面是對結構設計中須重點關注的幾種技術指標的調整原則的淺析,若有不對之處,請廣大同行指正。

3.1 樓層最小剪力系數(剪重比)的調整原則

在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩不超過40%的前提下盡可能少布置剪力墻,以大開間剪力墻布置方案為目標,使結構具有適宜的側向剛度,使樓層最小剪力系數接近規范限值(不小于限值)。這樣能夠減輕結構自重,有效減小地震作用的輸入,同時降低工程造價。

3.2 樓層層間最大位移與層高之比(位移)的調整原則

規范規定多遇地震作用標準值產生的樓層最大的彈性層間位移在計算時,除以彎曲變形為主的高層建筑外,可不扣除結構整體彎曲變形,應計入扭轉變形。由此可見,對于一般的高層建筑,重點是樓層間的剪切變形及扭轉變形。剪切變形的控制是以豎向構件的多少來決定的,但豎向構件足夠多(剪重比偏大)而布置不合理,則會造成扭轉變形過大,同樣不能滿足層間位移的要求。因此,對于高層建筑應盡可能使扭轉變形最小,而不能僅根據層間位移不夠不加分析地增加豎向構件的剛度。

3.3 結構扭轉為主的第一自振周期 Tt與平動為主的第一自振周期T1之比(周期比)的調整原則

《高規》第4.3.5條規定,結構扭轉為主的第一自振周期 Tt與平動為主的第一自振周期T1之比,小高層建筑不應大于0.90。限定周期比是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理,使結構不至于出現過大的扭轉效應。

在實際工程設計中,應將結構豎向構件盡可能沿建筑周邊布置,降低結構中間構件的剛度,這樣既可以提高結構的側向剛度,同時又能夠較大幅度的提高結構的整體剛度。

3.4 剪力墻連梁超限的調整原則

剪力墻連梁的跨高比不宜小于2.5,跨高比小于2.5的連梁很容易出現剪力和彎矩超過規范限值。

《高規》規定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進行設計。即跨高比不小于5的連梁剛度不應折減。而跨高比在5～6之間時,若連梁剛度不折減則也容易出現剪力或彎矩超限。本人認為該條文在實際工程設計中若能充分利用,則對節省工程造價也有非常明顯的影響,即將跨高比不大于5的連梁(剛度需折減)和減小剪力墻墻肢長度使連梁跨高比變為大于6的框架梁(剛度不折減),而后者的鋼筋及混凝土用量均小于前者,這對于節省工程投資具有很重要的意義。

4 剪力墻結構的墻體配筋

對于剪力墻結構來說,剪力墻是面廣量大的,因此合理的控制剪力墻配筋對于結構安全及工程的經濟性具有十分重要的作用。

剪力墻墻體配筋一般要求水平鋼筋放在外側,豎向鋼筋放在內側。配筋滿足計算及規范建議的最小配筋率即可。但地下部分墻體配筋則通過計算確定。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產生的側壓力控制,而由于簡化計算經常由豎向筋控制,此種情況下為增大計算墻體有效高度,可將地下部分墻體的水平筋放在內側,豎向鋼筋放在外側。地下部分墻體鋼筋保護層按《地下工程防水技術規范》第4.1.6條規定:迎水面保護層應大于50 mm,且在保護層內按《混凝土結構設計規范》層50 mm計算,筆者認為是不妥當的。當采取了雙向鋼筋網片后,計算保護層厚度至少可按30 mm來取值,這對節省墻體配筋效果相當明顯。

5 結語

高層剪力墻結構設計時應進行反復的優化設計,在重視概念設計的前提下,認真調整各項技術參數,使結構達到相對較優的結果。只有這樣,才能保證結構安全合理又經濟,這就要求我們在今后的設計中要不斷提高設計水平及改進設計理念。

[1] JGJ 3-2002,J 186-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[3] 張建強,陳向東.高層框架—剪力墻結構連續倒塌風險評估[J].山西建筑,2008,34(11):83-84.