剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究

(陜西省寶雞市建筑設(shè)計院，陜西寶雞 721000)

0 引言

隨著社會大眾越來越高的建筑要求，在應(yīng)用高層建筑當(dāng)中，剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。想要高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有較大的經(jīng)濟(jì)性，就需要從含鋼量入手，對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。所以，在對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，要從實際出發(fā)，根據(jù)設(shè)計要求詳細(xì)的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析，從而確保在何種情況下，能夠控制好最經(jīng)濟(jì)的含鋼量，也能滿足結(jié)構(gòu)的安全要求。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)體系特點

剪力墻是鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中非常重要的組成部分，剪力墻是屬于截面厚度小高度大而且比較小的片狀構(gòu)件，具有一定的優(yōu)勢，如:平面內(nèi)剛度較大，具有一定的承載力。但是同時也具有一定的不利性能:如平面外比較薄弱、剪切變形會比較大。另外，在開洞之后，剪力墻變化形式比較多樣化，特別是受力方面比較復(fù)雜。因此，剪力墻的設(shè)計我們要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，盡量避免其不利之處。剪力墻在承受豎向荷載以及水平荷載的能力比較具有優(yōu)勢。因為剪力墻的整體性布局較好，在偏向剛度方面比較大，水平力作用下較小，而且在沒有橫梁、圓柱外露等情況下，這方面給予了廣大住戶更多自由布置的空間，同時也存在一些不利之處，如:不能提供面積特別大的房間。矩形平面剪力墻在縱橫兩個方向進(jìn)行布置的主要作用是適應(yīng)來自不同方向的水平力;而基于圓形平面來講，剪力墻設(shè)計的過程中應(yīng)該保持環(huán)向設(shè)置;而沿三個主軸方向?qū)袅M(jìn)行設(shè)計主要是針對三角形平面。

剪力墻的優(yōu)點主要在于整體性強、用鋼量較小而且剛度大等，所以在高層建筑施工中得到了廣泛的運用。特別是像旅館這一類房間多的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，墻體所采用的一般都為剪力墻結(jié)構(gòu)，這樣可以讓承重墻與分隔墻連為一體，從而使得其經(jīng)濟(jì)適用。另外，使用剪力墻結(jié)構(gòu)，不會有露柱與露梁的現(xiàn)象出現(xiàn)，保持了外形的美觀性，也拓寬了室內(nèi)空間。雖然從上面幾點看來，剪力墻具備較多的優(yōu)點，但是從其他方面來考慮，也存在較多的問題:由于高層建筑的剪力墻的本身具有較大的抗側(cè)剛度，也就使得發(fā)生地震的時候，剪力墻會出現(xiàn)較大的反應(yīng)，所以在剪力墻的上部結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)當(dāng)中的投入資金都會相應(yīng)的增加;其二，墻體的澆筑主要是混凝土，使得其具有較大的重量，不僅會浪費材料，地震反應(yīng)也較大;其三，在剪力墻的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，各個墻肢不具備較大的軸壓，就使得各個墻肢雖然具有一定的承載能力，但是不能夠正常的發(fā)揮出應(yīng)有的性能。因此，在設(shè)計當(dāng)中對于高層建筑的剪力墻，如果將缺點規(guī)避，發(fā)揮出剪力墻的優(yōu)點，最終達(dá)到降低工程施工造價，提高施工質(zhì)量，就成為設(shè)計者應(yīng)當(dāng)首先考慮的問題。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)方案的選擇

只有當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)施工的安全得到了保障之后，才能夠在諸多的方案當(dāng)中進(jìn)行對比選擇，并且還應(yīng)考慮工程造價能夠在最低限度的情況下，選取適合此高層建筑的結(jié)構(gòu)形式。

針對層數(shù)較少的高層建筑，如:層數(shù)在18層以下的高層住宅推薦采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，因為在針對每一個墻肢進(jìn)行實際壓軸的計算時所取得的值會出現(xiàn)偏小的情況，而且墻體一般都是構(gòu)造配筋，必然會使墻體的承載力不能充分的發(fā)揮出來。推薦采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，能有效將這些問題進(jìn)行根本的解決。在7度區(qū)，層數(shù)在18層以下的住宅建筑使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，能有效地將水平地震剪力、結(jié)構(gòu)頂點位移、周期控制在合理的范圍之中。

如果高層建筑物的層數(shù)大于18，最好還是選取普通剪力墻結(jié)構(gòu)。如果將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)運用到層數(shù)過大的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，會導(dǎo)致其剛度不達(dá)標(biāo)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性能也受到其影響。

3 在剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中的有效措施

3．1 需要對于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為的注重

從對高層建筑的要求來看，現(xiàn)代居民希望建筑物所擁有的功能多種多樣，考慮到現(xiàn)在大樓具有較強的綜合性能，尤其是在使用方面，上部與下部的機構(gòu)不同。因此，在選擇高層建筑物自身結(jié)構(gòu)布置的時候，就需要考慮相應(yīng)的變化，在設(shè)計布置當(dāng)中，就需要將轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)置好。我們需要重視剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是考慮到在高位轉(zhuǎn)換的底部大空間當(dāng)中，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。因為在進(jìn)行高位轉(zhuǎn)換的時候，剛度和質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)換層升高，有效的將其本身與上下的剛度調(diào)整到接近的地步是非常必要的，而對于轉(zhuǎn)換層自身而言，其質(zhì)量與剛度都不適宜較大，在最終時，是否能夠確保轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角基本達(dá)到均勻的情況，就需要在水平作用力的作用之下，進(jìn)行空間精確分析，檢查其均勻情況。在采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的時候，在選擇上，偏向于重量與剛度皆偏小的材料，在實際計算時，對于參與到了組合的振型數(shù)需要多多的進(jìn)行選擇。通過計算，我們能夠計算出在結(jié)構(gòu)當(dāng)中，哪一部分才是最薄弱的，然后再通過內(nèi)力分配特點的具體研究，改善薄弱部位性能的設(shè)計性能，對于構(gòu)件的配筋作出相應(yīng)的調(diào)整，從而實現(xiàn)改善薄弱部位性能的目的。

3．2 連梁設(shè)計的優(yōu)化

在設(shè)計連梁的抗震與非抗震的時候，在高跨比的分類之上，主要分為小于2．5和大于2．5兩種，并且對于截面配筋以及受剪承載力兩個方面都有了相應(yīng)的規(guī)范。而可以使用以下的兩種方式針對塑性調(diào)幅:1)在進(jìn)行內(nèi)力計算之前，就需要拆減連梁的剛度;2)在進(jìn)行內(nèi)力計算之后，連梁的剪力與彎矩的組合值還需要乘上一個拆減系數(shù)。但是，我們應(yīng)當(dāng)明確的是，無論是選取了哪一種，都需要確定在實際使用階段當(dāng)中的剪力與彎矩的設(shè)計值，都要小于調(diào)整后的值。此外，在彎矩設(shè)計時，也必須大于設(shè)防烈度低1度的地震組合所得。從而對于正常使用情況之下，亦或是在小型的地震發(fā)生之后，對于裂縫進(jìn)行有效防止，最終達(dá)到確保高層建筑物安全性能。

3．3 轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1)在轉(zhuǎn)換層的上下剛度的傳遞中，剪力墻布置存在的影響。如果能夠準(zhǔn)確的傳遞上下兩種不同結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)力，首先需要考慮到剛度突變，而對于轉(zhuǎn)換層上下的結(jié)構(gòu)可以通過兩種方式將剛度突變的問題加以解決:a．將上部的剛度減少，也就是在上部當(dāng)中，能不設(shè)置剪力墻就盡量的避免設(shè)置，當(dāng)滿足了軸壓比的時候，確保墻肢盡可能的短;b．將下部的剛度進(jìn)一步的加大，在建筑滿足了功能之后，再恰當(dāng)?shù)牟贾迷O(shè)置出若干的落地剪力墻在大空間層之內(nèi)，此外需要避免集中，將剪力墻均勻的分布于其中。

2)需要合理的選擇轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)剛度。如果剪力墻轉(zhuǎn)換層剛度過大，不但會增大地震的噪聲以及豎向剛度的提高，更會增加材料的使用量，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮是不合理的。如果剪力墻轉(zhuǎn)換層剛度過小，就可能出現(xiàn)沉降差。進(jìn)而使得明顯的次應(yīng)力在上部結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)(其水平結(jié)構(gòu)是與上部結(jié)構(gòu)相連接的)，從而增加了配筋量。而表現(xiàn)最為突出的就是在正交主次轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)中對于次梁的轉(zhuǎn)換。

［1］朱炳寅．建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［2］GB 50011-2009，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．