高層住宅剪力墻結構的優化

董靜

(成都理工大學環境與土木工程學院,四川 成都 610000)

高層住宅剪力墻結構的優化

董靜

(成都理工大學環境與土木工程學院,四川 成都 610000)

由于高層住宅建筑具有開間小,房間面積不大,墻體較多等特點,所以采取剪力墻結構較為合適。本文主要從剪力墻布置的位置,剪力墻墻肢長度,墻厚等方面對高層住宅剪力墻結構優化的概念設計進行了探討,從而為高層建筑的優化提供了一些理論上的指導。

高層住宅;剪力墻結構;控制因素;結構優化

高層住宅建筑(例如住宅,公寓,酒店等),通常需要在有效占地面積范圍內盡可能地爭取到更多的建筑面積,采用現澆剪力墻結構具有明顯的優勢［1］。

結構設計人員在剪力墻結構的設計上一般會采取相對來講比較保守的結構設計方案,在一定程度上忽略結構的經濟性與合理性。因此,對剪力墻結構的優化設計進行研究很有必要。

1 影響高層住宅剪力墻結構優化的相關因素

在高層住宅剪力墻結構的優化過程中需要控制諸多因素,如剪力墻布置位置,剪力墻肢長度,剪力墻厚等。

因為目前《高層建筑混凝土結構設計規程》(JGJ3一2010)［2］(以下簡稱《高規》)對高層建筑的結構選型和合理布置尚未給出明確的規定。因此,要針對高層住宅剪力墻結構的優化進行深入研究。

1.1 剪力墻數量和位置的不同對結構的影響

剪力墻作為豎向抗側力構件主要分為兩種,一種是既能夠承受豎向荷載又能抵抗水平荷載的剪力墻；另一種剪力墻就是既能承受豎向荷載作用又能抵抗側向力和抵抗扭轉的剪力墻［3］。

在能夠保證水平和豎向承載能力的前提下,遵從“周邊、封閉、成對、對稱”的剪力墻的布置原則,要仔細選擇對承受水平和豎向荷載有利的位置布置剪力墻,盡量將剪力墻布置的間距拉大。一般可以通過延長剪力墻墻肢的長度,減少剪力墻的數量,從而使結構整體抗側剛度增加,邊緣構件的數量減少。

通過控制層間位移比,扭轉位移比,周期比這三個主要指標,就可以從宏觀上基本控制結構的剛度,以防結構剛度太大或太小,以控制該結構的扭轉。對比同一建筑的不同模型(剪力墻位置不同)的周期比與位移比我們可以得出結論：剪力墻應最大限度地布置在結構的四周,這樣能更好地提高結構的抗側性能。

1.2 剪力墻墻肢長度對抗側剛度影響

在結構設計中布置剪力墻時,應該盡量避免使一些墻肢成為長墻。如果這些墻肢較長而其他墻肢較短時,墻肢較長的墻就會承擔的較大的地震力,地震來臨時,一旦長墻肢發生破壞,其余墻肢參與組成的第二道抗震防線便起不到任何作用。因此,我們應盡可能地做到是結構剛度的分布均勻［4］。

由《高規》可知,剪力墻墻肢長度一般不宜大于8m。結構設計中的剪力墻結構應具有延性,細長的剪力墻(高寬比大于3)容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻,從而避免脆性的剪切破壞。當墻的長度很長時,為了滿足每個墻段高寬比大于3的要求,可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的聯肢墻,洞口連梁宜采用約束彎矩較小的弱連梁(其跨高比一般宜大于6),使其可近似認為分成了獨立墻段。滿足以上要求的情況下,墻肢的長度越長,其抗側剛度越優,抵抗扭轉性能更好［2］。

剪力墻受剪承載力相對較大,大多數情況下其抗剪不起控制作用,在實際工程設計中剪力墻截面的設計可以由軸壓比控制,以保證剪力墻具有足夠的延性。與此同時各片墻體的軸壓比宜盡量均勻,這樣做的直接目的就是可以保證各層各片大部分的剪力墻都能夠均勻受力,使其處于抗震構造配筋狀態。所以宜使各個墻肢的軸壓比相互接近并盡量靠近相對應的結構抗震等級的軸壓比限值,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。

為了實現剪力墻的延性破壞形式——彎曲破壞,《高規》中規定墻體長度不宜超過8m。有兩個影響剪切破壞模式的主要因素,即剪跨比和軸壓比,其中剪跨比應大于2,同時軸壓比也要滿足規范限值,就能實現延性的彎曲破壞。設計時應能充分保證和體現使結構的豎向和水平向具有合理的剛度以及承受荷載的分布,盡可能地使剪力墻墻肢截面高度略大于8倍的墻厚。

為了保證在地震作用下剪力墻具有足夠的延性,《高規》增加了有關剪力墻軸壓比的規定,如表1所示。規范只規定了一、二級抗震等級剪力墻底部加強部位及短肢剪力墻一、二、三級抗震等級的軸壓比,在進行結構設計時盡量不要把軸壓比取得太大,一、二級抗震等級的其他部位及三、四級抗震等級的剪力墻,可以依照一、二級軸壓比的限值采用,特殊情況下也可以適當地提高一些(比如延性要求不高的建筑)［2］。

表1 剪力墻墻肢軸壓比限制

1.3 墻厚及混凝土強度等級對結構抗側力性能的影響

剪力墻厚度的確定首先應滿足墻體穩定驗算的要求,同時還應滿足規范中規定的剪力墻截面最小厚度(如表2所示),其目的主要是為了保證剪力墻平面外的剛度和穩定性。

表2 墻肢厚度參考表

高層住宅剪力墻結構的剪力墻厚度應沿結構高度均勻變化,不能為了節約成本、增加建筑的使用面積,而一味地布置大量的200mm厚剪力墻；或在結構上部任意減少剪力墻的數量,使得上下結構剛度突變,不利于抗震。

在剪力墻平面布置一致的情況下,高層住宅建筑的結構隨著剪力墻厚度的增加,周期及周期比明顯下降,結構在兩個方向的最大層間位移角也下降。在剪力墻數量不變的情況下,適當的減小墻體的厚度,結構的抗側剛度和地震力就會減小,結構的自振周期增大。

2 結語

隨著經濟和社會的不斷進步和發展,拔地而起的高聳建筑物的越來越多,高層住宅也不例外。那么在這些高層建筑中應用最多的要屬剪力墻結構,所以對高層住宅剪力墻結構優化的必要性顯得尤為突出。隨著綠色建筑這個理念的不斷成熟,相信建筑結構的優化將會成為未來的趨勢,但是對剪力墻結構的優化設計不能僅僅停留在為了能夠降低工程造價這個層面上,應在保證結構安全的前提下,做到建筑的合理性,更好的保證建筑的各種使用功能。

［1］姚琦.高層住宅剪力墻結構的優化控制因素探討［D］.重慶大學,2006.

［2］中國建筑科學研究院.高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社,2011.

［3］姚琦.高層住宅剪力墻結構的優化控制因素探討［J］.四川建筑科學研究,2007.

［4］馮中偉,劉宜豐.高層剪力墻住宅結構優化設計［J］.建筑結構,2010,40(9):124～127.

OPtimiZation Idea and Method of Shear Wall Structure in High-rise Buildings

Dong Jing
(School of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610000)

Because the high一rise residential buildings have the characteristics of small roomsand lots ofwalls,and the room area is not large,it is more suitable totake shear wall structure.This paper mainly discusses the concept design of high一rise residential shear wall structure from the layout of the shear wall,shear wall limb length and wall thickness,so as to give some theoretical guidance to the optimization of high一rise building.

High一rise residential building;shear wall structure;control factor;structural optimization

TU973

A

1003一5168(2015)07一0123一2

2015一6一9

董靜(1956一),女,碩士,研究方向:高層住宅結構。