高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

王俊宏

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，建筑行業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑的施工質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越引起了人們的重視。其中，剪力墻結(jié)構(gòu)體系剛度大，整體性好，抵抗側(cè)向變形能力強(qiáng)，抗震性能較好，在我國(guó)高層住宅、賓館等居住性建筑中廣泛使用。本文筆者通過(guò)多年的工作經(jīng)驗(yàn)及結(jié)合相關(guān)資料對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 高層剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)是以剪力墻及因剪力墻開(kāi)洞形成的連梁組成的結(jié)構(gòu)，是用鋼筋混凝土墻來(lái)抵抗豎向荷載和水平力，其變形特點(diǎn)為彎曲型變形。剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是一平面構(gòu)件，它除承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔(dān)豎向壓力，是在軸力、彎矩和剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作。其受水平作用下似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁，在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除滿足剛度強(qiáng)度要求外，還必須滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)開(kāi)裂而不倒的要求，墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞。對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員主要考慮的問(wèn)題是水平荷載、軸向變形、結(jié)構(gòu)側(cè)移及結(jié)構(gòu)延性等方面。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

剪力墻的優(yōu)化方案可從結(jié)構(gòu)樣式、墻體截面和施工材料方面著手。分析建筑的功能需求，同時(shí)控制施工的成本，探究適宜的結(jié)構(gòu)體系。相對(duì)于高度較小（20 層）的建筑，考慮使用短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)方案。但對(duì)于樓層較高的建筑結(jié)構(gòu)，短肢結(jié)構(gòu)的承載能力與強(qiáng)度并不能滿足高層建筑的需求，采用傳統(tǒng)方式澆筑的剪力墻軸壓較小，這樣不僅耗費(fèi)的資金多，而且不能保證剪力墻的承壓能力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)與20 層以下建筑可采用短肢剪力墻的設(shè)計(jì)，其抗震性能可以達(dá)到一般的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且因?yàn)槎讨珘Φ慕ㄖ^(guò)程可用其他材料代替鋼筋混凝土（如磚塊），鋼筋混凝土的用量減少，不僅可以降低費(fèi)用，而且可減輕墻體重量，使重心下移，提高剪力墻的抗震性能。在框支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中中，短肢剪力墻的方案可運(yùn)用到上部剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。一般不提倡通過(guò)增加下層剛度的做法來(lái)達(dá)到降低上下層剛度比的目的，而是采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到降低上部剪力墻的剛度，并且能很大程度上節(jié)約成本，提高效益。但在多樓層的建筑中，由于使用，會(huì)導(dǎo)致墻體塑性增加、底部剪力系數(shù)偏低、層間位移難以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，造成建筑的安全性難以保證，所以在此類的建筑中，并不提倡使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，行業(yè)內(nèi)普遍的做法是采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)方案，可有效提高墻體的安全性。然而，即使采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)方案，墻體剛度值稍仍會(huì)偏大，此時(shí)可以通過(guò)布置窗洞或填補(bǔ)窗洞的方式來(lái)達(dá)到調(diào)整墻體剛度的目的。

3 高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)

建筑功能的多樣化使得建筑的上下結(jié)構(gòu)以及使用功能也隨之而變化，所以在實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)變化中，要盡量注意建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在常用的轉(zhuǎn)換層有厚板轉(zhuǎn)換層、巨型梁轉(zhuǎn)換等。細(xì)細(xì)來(lái)說(shuō)，其一，進(jìn)行轉(zhuǎn)換層自身重量控制，采用梁系轉(zhuǎn)換的方式來(lái)進(jìn)行厚板厚度控制和轉(zhuǎn)換層質(zhì)量控制；其二，嚴(yán)格控制剛度進(jìn)行高位轉(zhuǎn)換的同時(shí)，轉(zhuǎn)換層的剛度提升相對(duì)較快，所以要對(duì)轉(zhuǎn)換層上下部分的剛性比。進(jìn)行相對(duì)調(diào)整，用空間分析的方法，空間承載力能得到相應(yīng)的控制；其三，進(jìn)行轉(zhuǎn)接控制。在轉(zhuǎn)換梁與中筒連接設(shè)計(jì)中，要把鋼筋混凝土柱連接在轉(zhuǎn)接范圍內(nèi)的筒體處，加強(qiáng)連接以防止地震時(shí)脫節(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 剪力墻的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)我國(guó)歷史上的地震記錄進(jìn)行分析研究后表明，之所以高層剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)在地震中出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，究其根本原因就在于高層剪力墻結(jié)構(gòu)的底層剛度與上部剛度之間的差距往往太過(guò)于懸殊，一旦當(dāng)?shù)卣鹱饔眉性谄涞讓訒r(shí)，就會(huì)導(dǎo)致底層出現(xiàn)極其突出而明顯的彈塑性集中變形。因此對(duì)于高層剪力墻結(jié)構(gòu)而言，底層剛度與上部剛度之比必須要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這是最為關(guān)鍵的一點(diǎn)。另外，由于不同地區(qū)的抗震設(shè)防烈度也不盡相同，因此在高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)于抗震方面也要有區(qū)別對(duì)待，以保證其經(jīng)濟(jì)合理性。

3.3 連梁設(shè)計(jì)

在對(duì)連梁抗震性與非抗震性設(shè)計(jì)時(shí)，從高跨比上來(lái)分類主要有兩種，分別是高跨比大于2.5與小于2.5兩種，同時(shí)這也對(duì)受剪承載力與截面的配筋有著相應(yīng)的規(guī)范要求。因此在對(duì)連梁設(shè)計(jì)時(shí)可以采用兩種方式，首先是在開(kāi)始計(jì)算內(nèi)力之前，要先拆減連梁本身的剛度。其次，是在計(jì)算內(nèi)力之后，還需要在連梁的彎矩組合與剪力上乘以折減系數(shù)，在計(jì)算的時(shí)候還需要注意的是，無(wú)論采取哪種算法，在實(shí)際使用時(shí)都需要來(lái)確定相應(yīng)的剪力和彎矩設(shè)計(jì)值，并且這個(gè)數(shù)值要比調(diào)整之后的數(shù)值要小。另外，在設(shè)計(jì)彎矩的時(shí)候，也要根據(jù)低于預(yù)防烈度一度地震組合值來(lái)獲得，這樣就可以保證在正常使用情況下，或者是出現(xiàn)小型地震時(shí)，可以有效的預(yù)防裂縫，最終保證高層建筑的結(jié)構(gòu)安全。

3.4 剪力墻的配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理的確定剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)部位，剪力墻分為底部加強(qiáng)區(qū)范圍和非底部加強(qiáng)區(qū)范圍，底部加強(qiáng)區(qū)要求高、墻厚大。當(dāng)剪力墻軸壓比大于一定數(shù)值厚，必須設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，而約束邊緣構(gòu)件的配筋遠(yuǎn)大于構(gòu)造邊緣構(gòu)件。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格區(qū)分抗震墻的底部加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位，對(duì)鋼筋用量而言具有很大意義，隨意擴(kuò)大抗震墻的底部加強(qiáng)區(qū)會(huì)增加鋼筋用量。

墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞，同時(shí)起到抵抗溫度應(yīng)力防止混凝土出現(xiàn)裂縫，設(shè)計(jì)中當(dāng)建筑物較高較長(zhǎng)或框剪結(jié)構(gòu)時(shí)配筋宜適當(dāng)增加，特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當(dāng)增加。墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層及高層剪力墻中電算結(jié)果多為構(gòu)造配筋。抗震墻中的墻段豎向分布筋通常都不是由內(nèi)力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墻面出現(xiàn)水平收縮裂縫，故其間距通常取200mm ，最小直徑8mm ，僅需滿足最小配筋率，不必隨意提高其配筋量。

3.5 剪力墻的平面布置的優(yōu)化

剪力墻布置的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中做好剪力墻的布置，應(yīng)采取下列措施：強(qiáng)周邊、弱中部；多均勻長(zhǎng)墻、少短墻；多L形、T形、十字形墻肢、少?gòu)?fù)雜形狀；沿高度均勻變化，各墻肢軸壓比接近。剪力墻應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)，并宜使兩個(gè)方向的剛度接近。剪力墻平面上力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，否則建筑物的質(zhì)心和剛度中心會(huì)有較大偏移，一旦受到水平荷載作用，剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)繞著剛度中心發(fā)生扭轉(zhuǎn)。單片剪力墻的突出長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)，過(guò)長(zhǎng)的剪力墻容易受剪，抗震性脆弱，一般要求剪力墻的墻段長(zhǎng)度不宜大于8m。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，高層建筑設(shè)計(jì)不僅要滿足結(jié)構(gòu)安全、功能適用等要求，還應(yīng)做到結(jié)構(gòu)體系受力合理、材料用量盡可能少。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用量大，應(yīng)進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在重視概念設(shè)計(jì)的前提下，認(rèn)真調(diào)整各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)較優(yōu)的結(jié)果。只有這樣才能即保證建筑結(jié)構(gòu)在平時(shí)和震時(shí)保證安全，保證使用上的舒適度，又能為社會(huì)節(jié)省大量的投資，這是我們每位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者應(yīng)盡的職責(zé)。

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