高層住宅建筑剪力墻結構的設計與分析

康恒

摘要:隨著我國城市化、現代化進程地不斷加快,高層建筑儼然成為城市建筑的主流形態,在高層建筑結構設計上,剪力墻作為一個成熟的結構形式,其結構和形式呈現出多樣化,本文依據剪力墻結構計算原理結合工程實例就高層住宅剪力墻結構的設計與分析談幾點看法。

關鍵詞:高層建筑剪力墻設計

中圖分類號:TU8 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(c)-0028-02

1 剪力墻的常見類型

(1)從剪力墻的開洞率及對其自身的受力特性影響進行劃分,可以將單片剪力墻劃分為如表1所示的幾種類型。

(2)從墻體的高寬比進行劃分,通常分為高剪力墻和低矮剪力墻。

(3)從豎縫及配筋的存在方式進行劃分,通常分為普通配筋、交叉配筋和帶暗支撐剪力墻。

(4)在實際的工程結構設計中,最為常用的兩種結構形式如圖1所示。

2 剪力墻結構的布置

在結構設計中,由實際的工程經驗,對于剪力墻的布置應注意以下幾個方面。

(1)從布置方式上來看,剪力墻沿主軸方向或其他方向比較適合以雙向或多向的方式進行科學的布置,并使兩個方向的剛度盡量接近,對于不同方向的剪力墻應該分別進行有效的聯結,通過科學的布置,借助于拉通、對直的作用,有效地保證剪力墻達到最好的空間工作性能。

(2)在布置的順序上來看,剪力墻最好是自下而上進行連續地布置,實踐證明如此布置能夠有效地避免出現不良的剛度突變。

(3)從結構剛度要求上來看,在具體的設計上,沿高度的方向應允許在合理的范圍內改變墻的厚度和混凝土的強度等級,或是減少部分墻肢,目的在于確保側向的剛度沿著高度保持連續地、逐漸地變小。如若剪力墻沿著高度是非連續變化的,勢必將引起建筑結構沿著高度出現不連續的剛度,存在著剛性突變問題,對抗震結構不利。

(4)如果在實際中遇到剪力墻的長度比較長的情況,在設計上通常各個墻段之間憑借弱連梁進行有效的連接,將其等效地分為若干獨立墻段,如圖2所示。

(5)從剪力墻洞口的布置角度來看,大量實踐經驗表明,開洞方式之間影響著剪力墻的力學性能。在剪力墻的門窗洞口開洞方式上,為了保證剪力墻良好的物理力學性能,洞口上下對齊、規則、成列地進行布置,能形成明確的墻肢和連梁,其應力有著非常規則的分布,與當下普遍應用的計算簡圖符合度非常高,設計能夠達到很高的安全性能。

當然,在實際工程中也有些不規則開洞的剪力墻如圖3所示,其中3-1為錯洞剪力墻;3-2、3-3為疊合錯洞墻。從剪力墻的物理力學性能來看,不規則的開洞形式是不利的結構抗震的,實在無法避免應注意以下兩點。

(1)剪力墻底部加強部位是塑性鉸出現及保證剪力墻安全的關鍵部位,對于一、二、三級抗震等級剪力墻的底部加強部位不宜使用錯洞墻,如無法避免使用錯洞墻時,錯開洞口水平之間的距離應確保≥2000mm(如圖3中的3-1所示),設計時應綜合多種因素仔細地進行計算與分析,在洞口的周邊應有針對性地布設有效的構造措施;

(2)對于一、二、三級抗震等級的剪力墻,無論在什么部位都不宜采用疊合錯洞墻,除此之外且必須要用到疊合錯洞墻時,在其布置時必須借助于有限元的方法進行仔細的計算和分析,同時應該在洞口周邊布設加強措施(如圖3中的3-2所示),或者采用其他輕質材料填充(圖中陰影部分),如此一來可將疊合洞口等效看作為框架結構(如圖3中3-3所示)。

3 “框架——剪力墻”的設計

當下在高層建筑物的剪力墻設計上,在框架結構的恰當的部位布置一定數量的剪力墻,由二者共同承受外荷載,就構成了“框架——剪力墻”結構體系。

該結構受到豎向荷載作用時,框架和剪力墻分別承擔各自范圍內的荷載,其內力計算方法與等同于框架、剪力墻的內力計算;該結構受到橫向荷載作用時,框架和剪力墻的各自構件性能就表現出來了,由于抗側剛度相差懸殊同時變形性能迥異,同時都受到平面剛度很大的樓面約束,均不可能單獨變形,所以,設計上必須解決框架和剪力墻之間協同工作的問題。

框架——剪力墻結構中的剪力墻布置應做到“均勻、分散、對稱、周邊”的原則,并應在結構兩個主軸方向均布置剪力墻,特別是當結構兩個方向的平面尺寸相差較大時,除了在短向布置剪力墻外,在長向更應布置一定數量的剪力墻,但是長向剪力墻的墻肢不宜過長,使結構兩個主軸方向的抗側力剛度不至相差過大,以減小結構的整體扭轉效應,并體現多道防線的概念設計要求。同時,在設計中剪力墻的截面沿高度方向采取變截面的方式,越往上墻厚逐漸變薄,這是因為在水平荷載作用下,單獨的剪力墻變形為彎曲型,下部側移小、上部側移大;而單獨的框架變形為剪切型,下部側移大、上部側移小。框架——剪力墻則為彎剪型的變形結構,通過各層樓板的約束,框架和剪力墻兩者變形趨于一致(如圖4所示),在下部樓層,剪力墻承擔大部分剪力,拉著框架變形,使框架的層間側移減小;到了上部樓層,剪力墻的側移變大,框架的側移變小,為了使變形協調一致,框架除了承擔原有的剪力外,還需額外承擔拉回剪力墻變形產生的附加剪力,所以剪力墻截面沿高度方向不變,剪力墻越厚,在上部樓層框架的負擔反而越重,對結構安全造成不利影響。

4 工程實例

某工程為26層的框架-剪力墻結構,結構布置如圖5所示,抗震設防烈度為7度,設計基本加速度0.10g,建筑場地類別:Ⅱ類,特征周期0.35s,設計使用年限50年,屬丙類建筑。本工程采用兩種不同的剪力墻厚度進行分析比較,一種是剪力墻厚度均勻變化,由下部的400mm逐漸變化到上部的200mm;另一種是剪力墻厚度從下到上均采用450mm,其他的結構布置均相同,計算結果如表2所示。(采用PKPM系列－SATWE)。

由計算結果可知,剪力墻變厚,框架承受的傾覆力矩反而加大了,其原因在于剪力墻越厚,框架的負擔就越重,要求其抗側力剛度也越大,所以剪力墻厚度不變不僅使結構剛度過大,不但加大了結構的地震效應,同時結構的自重及工程量也相應增加,當剪力墻部分的抗側力剛度加大而框架部分的抗側力剛度不變時,由于剪力墻變厚增加的水平力只能由框架來承擔,這樣對結構的安全也是不利的。因此,剪力墻截面沿高度方向從下至上逐漸減小,無論對結構安全還是工程經濟性都是有益的。

5 結語

隨著社會的發展、經濟水平的提高,高層建筑將如雨后春筍般出現,剪力墻結構因其抗側剛度大,能有效地減少側移,且具有較好的抗震性能,因而被廣泛應用于多層和高層鋼筋混凝土建筑中。所以,在剪力墻設計中,要根據其受力的特點,充分掌握和了解其受力特點和破壞機理后,并選擇合理的布置形式,正確掌握計算分析方法,建筑的結構設計才能更加安全、適用、可靠、經濟,剪力墻亦將在多、高層的住宅中有著廣闊的發展前景。

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