高層建筑剪力墻結構優化設計淺析

王艷軍

剪力墻結構剛度大,整體性好,用鋼量較省,在高層住宅、旅館等居住性建筑中,居室和客房均為小間,分隔墻較多,采用現澆剪力墻結構,可以將承重墻與分隔墻合二為一,相對來說比較經濟。另外,室內較框架結構簡潔,沒有露梁、露柱現象,外形美觀,便于室內布置。因此,在高層住宅、旅館中常采用現澆剪力墻結構。將剪力墻結構運用到高層住宅、旅館中,除具有以上優點外,還有一些缺點:1)剪力墻結構抗側剛度大,會引起較大的地震反應,使得上部結構和基礎費用增加;2)由于混凝土墻體較多,使得建筑物重量增加,這也同樣引起較大的地震反應,造成浪費;3)剪力墻結構中各墻肢軸壓比往往較低,使得各墻肢的承載能力得不到充分發揮;4)剪力墻結構中墻體多為構造配筋,配筋率較低,使得結構延性較差。在高層剪力墻結構設計中,怎樣既發揮它具有足夠的抗側能力等優點,又改進其工程費用較高的缺點成為一個關鍵問題。因此,近年來工程界對高層剪力墻結構的優化布置給予了更多的關注,而且也取得了一定的進展。目前,《高規》對高層建筑的結構選型,尤其是合理布置,尚未做出一個明確的具體的規定。因此,結合實際的工程背景,對高層剪力墻結構的優化布置進行研究很有必要。

1 剪力墻結構設計的優化

1.1 剪力墻結構構件的經濟含鋼量

隨著我國建筑結構的高度越來越高,高層建筑結構采用剪力墻形式已經不是新鮮事務。經過我國多年的設計及成功的施工經驗累計,對高層建筑剪力墻結構構件適宜的含鋼量已經有了一些數據上的統計,該經驗值統計如表1所示。依據這些含鋼量的指標可以對結構設計的經濟性起到一定的指導作用。

表1 含鋼量經驗值統計表

對各種不同結構體系的用鋼量的經驗統計結果如表2所示。

表2 單位面積鋼筋量 kg/m2

1.2 剪力墻結構的適宜方案

剪力墻結構設計的方案有多種選擇,選擇適宜的結構形式,不僅能保證建筑結構的安全性,而且能大幅度的降低工程造價。在設計方案及初步設計階段正確地選擇建筑的結構體系以及構件的截面及采用的材料,對整個建筑的經濟性影響是相當大的。選擇較為合適的結構體系,可以在方案階段總體控制成本。同時由于上部使用功能的差別,構件截面類型也會有差異,從而導致成本差異。因此必須在方案設計階段確定適宜的結構形式。

層數較小(比如20層以下)的高層住宅,可采用短肢剪力墻結構體系。20層以下的高層住宅采用傳統的現澆剪力墻結構,各墻肢軸壓比計算值往往較小,墻體配筋為構造配筋,墻體承載能力遠遠沒有發揮出來,工程費用較高,這時若采用短肢剪力墻結構,以上不足之處就可以得到解決。在7度區,20層以下的高層住宅采用短肢剪力墻結構,結構頂點位移、周期、水平地震剪力一般可控制在合理的范圍內。采用短肢剪力墻結構,由于合理地將一部分鋼筋混凝土墻置換成磚墻或其他砌體,使得結構自重減輕,將偏大的結構剛度降下來,結構地震反應減少,工程費用降低,還增加了結構的延性,使結構的抗震性能提高。

框支剪力墻結構中,上部剪力墻結構可采用短肢剪力墻體系。在框支剪力墻結構中,為了減少上下層的剛度比,不采用加大下層剛度的方法,而采用減少上部剪力墻體系的剛度即改用短肢剪力墻體系,經濟效果就十分明顯了。

層數較多的高層住宅,最好采用傳統的全現澆剪力墻體系。在層數較多的高層建筑中,如采用短肢剪力墻體系,就使結構較柔,結構頂點位移和層間位移就不一定能滿足規范要求,底部剪力系數也偏低,結構趨于不安全。但是,在有些情況下若采用傳統剪力墻體系,結構剛度計算值還稍偏大時,可將較大的墻肢開設結構洞,或將窗臺改為磚或其他砌體等措施加以微調。

2 工程實例的分析

本工程位于我國南方某市,住宅小區總建筑面積達10.8萬m2,與本工程類似的住宅樓達10多棟。如果通過對一棟樓進行結構設計分析,找到其中可優化改進的地方,就可使結構設計得到部分的優化、提高建筑產品的性價比、降低單件造價和整個小區的工程造價。進行結構設計分析的住宅樓為地下2層,地上16層,標準層平面布置圖如圖1所示。總建筑面積約2萬m2。地下2層為車庫和物業辦公用房,層高均為3.6 m,首層商業層高3.4 m,2層及2層以上層為住宅,層高為 2.8 m。建筑類別為丙類。Ⅱ類場地,土質不均勻。

剪力墻及墻厚根據規范及工程層數、層高情況取值如下:1層及地下層250 mm(地下層外墻厚300 mm),2層及2層以上外墻200 mm,內墻180 mm。結構整體計算中剪重比較大結構整體布置有繼續優化的可能。從節省造價角度考慮,暗柱、連梁等處構件根據計算結構按構造要求配筋(包括局部按計算配筋的),其中墻體分布筋基本與規范最小配筋及其他構造要求相吻合。優化結構設計不只是抽鋼筋。一棟建筑方案產生后,結構的選型和布置就存在優化與否的問題。但是,任何建筑體型都可能有最規則的和最經濟的結構布置方案。所以,真正的優化應是全過程的需要各專業的密切配合。經過優化后的計算指標如表3所示,經濟指標如表4所示。

表3 優化后的計算指標

表4 優化后的經濟指標

3 結語

在剪力墻結構設計中,怎樣既能讓這種體系剛度大,外觀簡潔等優點發揮出來,又能克服其工程費高等缺點是設計的關鍵。本文就其優化設計作了一點簡單探討,在以后的設計工作中應不斷總結,以期更好地掌握這種結構體系的設計方法。

[1] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] 李國勝.高層鋼筋混凝土結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.