高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

董靜

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川 成都 610000)

高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

董靜

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川 成都 610000)

由于高層住宅建筑具有開(kāi)間小,房間面積不大,墻體較多等特點(diǎn),所以采取剪力墻結(jié)構(gòu)較為合適。本文主要從剪力墻布置的位置,剪力墻墻肢長(zhǎng)度,墻厚等方面對(duì)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討,從而為高層建筑的優(yōu)化提供了一些理論上的指導(dǎo)。

高層住宅;剪力墻結(jié)構(gòu);控制因素;結(jié)構(gòu)優(yōu)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(nèi)盡可能地爭(zhēng)取到更多的建筑面積,采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)［1］。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上一般會(huì)采取相對(duì)來(lái)講比較保守的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,在一定程度上忽略結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與合理性。因此,對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究很有必要。

1 影響高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)因素

在高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過(guò)程中需要控制諸多因素,如剪力墻布置位置,剪力墻肢長(zhǎng)度,剪力墻厚等。

因?yàn)槟壳啊陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ3一2010)［2］(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)選型和合理布置尚未給出明確的規(guī)定。因此,要針對(duì)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行深入研究。

1.1 剪力墻數(shù)量和位置的不同對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

剪力墻作為豎向抗側(cè)力構(gòu)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(cè)向力和抵抗扭轉(zhuǎn)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(duì)、對(duì)稱”的剪力墻的布置原則,要仔細(xì)選擇對(duì)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(guò)延長(zhǎng)剪力墻墻肢的長(zhǎng)度,減少剪力墻的數(shù)量,從而使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度增加,邊緣構(gòu)件的數(shù)量減少。

通過(guò)控制層間位移比,扭轉(zhuǎn)位移比,周期比這三個(gè)主要指標(biāo),就可以從宏觀上基本控制結(jié)構(gòu)的剛度,以防結(jié)構(gòu)剛度太大或太小,以控制該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。對(duì)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(jié)論：剪力墻應(yīng)最大限度地布置在結(jié)構(gòu)的四周,這樣能更好地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能。

1.2 剪力墻墻肢長(zhǎng)度對(duì)抗側(cè)剛度影響

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中布置剪力墻時(shí),應(yīng)該盡量避免使一些墻肢成為長(zhǎng)墻。如果這些墻肢較長(zhǎng)而其他墻肢較短時(shí),墻肢較長(zhǎng)的墻就會(huì)承擔(dān)的較大的地震力,地震來(lái)臨時(shí),一旦長(zhǎng)墻肢發(fā)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(yīng)盡可能地做到是結(jié)構(gòu)剛度的分布均勻［4］。

由《高規(guī)》可知,剪力墻墻肢長(zhǎng)度一般不宜大于8m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有延性,細(xì)長(zhǎng)的剪力墻(高寬比大于3)容易設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻,從而避免脆性的剪切破壞。當(dāng)墻的長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí),為了滿足每個(gè)墻段高寬比大于3的要求,可通過(guò)開(kāi)設(shè)洞口將長(zhǎng)墻分成長(zhǎng)度較小、較均勻的聯(lián)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(rèn)為分成了獨(dú)立墻段。滿足以上要求的情況下,墻肢的長(zhǎng)度越長(zhǎng),其抗側(cè)剛度越優(yōu),抵抗扭轉(zhuǎn)性能更好［2］。

剪力墻受剪承載力相對(duì)較大,大多數(shù)情況下其抗剪不起控制作用,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中剪力墻截面的設(shè)計(jì)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(shí)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(gòu)造配筋狀態(tài)。所以宜使各個(gè)墻肢的軸壓比相互接近并盡量靠近相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的軸壓比限值,這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重,有效減小地震作用的輸入,同時(shí)降低工程造價(jià)。

為了實(shí)現(xiàn)剪力墻的延性破壞形式——彎曲破壞,《高規(guī)》中規(guī)定墻體長(zhǎng)度不宜超過(guò)8m。有兩個(gè)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(yīng)大于2,同時(shí)軸壓比也要滿足規(guī)范限值,就能實(shí)現(xiàn)延性的彎曲破壞。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能充分保證和體現(xiàn)使結(jié)構(gòu)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(guī)》增加了有關(guān)剪力墻軸壓比的規(guī)定,如表1所示。規(guī)范只規(guī)定了一、二級(jí)抗震等級(jí)剪力墻底部加強(qiáng)部位及短肢剪力墻一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的軸壓比,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡量不要把軸壓比取得太大,一、二級(jí)抗震等級(jí)的其他部位及三、四級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻,可以依照一、二級(jí)軸壓比的限值采用,特殊情況下也可以適當(dāng)?shù)靥岣咭恍?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(qiáng)度等級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能的影響

剪力墻厚度的確定首先應(yīng)滿足墻體穩(wěn)定驗(yàn)算的要求,同時(shí)還應(yīng)滿足規(guī)范中規(guī)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(wěn)定性。

表2 墻肢厚度參考表

高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻厚度應(yīng)沿結(jié)構(gòu)高度均勻變化,不能為了節(jié)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(jié)構(gòu)上部任意減少剪力墻的數(shù)量,使得上下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)隨著剪力墻厚度的增加,周期及周期比明顯下降,結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的最大層間位移角也下降。在剪力墻數(shù)量不變的情況下,適當(dāng)?shù)臏p小墻體的厚度,結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和地震力就會(huì)減小,結(jié)構(gòu)的自振周期增大。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,拔地而起的高聳建筑物的越來(lái)越多,高層住宅也不例外。那么在這些高層建筑中應(yīng)用最多的要屬剪力墻結(jié)構(gòu),所以對(duì)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要性顯得尤為突出。隨著綠色建筑這個(gè)理念的不斷成熟,相信建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將會(huì)成為未來(lái)的趨勢(shì),但是對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不能僅僅停留在為了能夠降低工程造價(jià)這個(gè)層面上,應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制因素探討［D］.重慶大學(xué),2006.

［2］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

［3］姚琦.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制因素探討［J］.四川建筑科學(xué)研究,2007.

［4］馮中偉,劉宜豐.高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)。