高層建筑結(jié)構(gòu)中的框架剪力墻設(shè)計(jì)分析

姜力東

【摘要】剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量對對高層建筑的整體質(zhì)量具有十分重要的影響，它是高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式差異會形成不同的施工工序，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須得到重視。針對這一問題，本文從高層建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)出發(fā)，分析了高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，從而進(jìn)一步分析了高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，望相關(guān)研究人員相互討論和借鑒，在交流中得出更加科學(xué)的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；框架剪力墻；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

由于科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展，城市中的高層建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)十分普遍，高層建筑已經(jīng)成為社會發(fā)展的一種需求。框架剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中不斷得到應(yīng)用，已經(jīng)成為高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要成分。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來說，框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍具有明顯的不足之處，這些缺陷可能會給高層建筑帶來明顯的不良影響，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢在必行。

2 城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

2.1 水平荷載

水平載荷在高層建筑設(shè)計(jì)中具有決定性作用。一般而言，樓梯的自重和樓面運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的豎向載荷與樓房的高度成正正比，水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩和軸力和樓房高度的平方成正比例關(guān)系。且豎向載荷的數(shù)值是固定的，但水平載荷隨著結(jié)構(gòu)作用力特征的改變，其地震作用數(shù)值也會發(fā)生變化。

2.2 軸向變形

與水平載荷一樣，軸向變形在高層建筑設(shè)計(jì)中的地位同樣十分重要。由于高層建筑的事項(xiàng)荷載很大，極有可能造成柱體對策內(nèi)部產(chǎn)生軸變形，影響連續(xù)梁的彎矩，造成連續(xù)梁中間支座彎矩值增大，材料的長度在這一過程中就顯得尤為重要了，在設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合具體情況來選擇合適的材料長度，減輕軸向變形帶來的不良影響。

3 城市高層建筑的一般結(jié)構(gòu)體系

3.1 框架―剪力墻體系

所謂框架—剪力墻體系是指在框架體系的強(qiáng)度和剛度無法達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)的要求時(shí)，合理設(shè)置剪力墻來替代部分框架，由此形成框架一剪力墻體系。在這一體系中。框架一般主要用來承受垂直載荷，而剪力墻則用來承受水平剪力，在到水平力作用的情況下，框架和剪力墻就會利用其樓板和連梁的所具有的強(qiáng)大剛度共同發(fā)揮作用。相對于框架體系來說，框架—剪力墻體系的能建高度要大得多，這是因?yàn)榧袅τ兄谠龃蠼Y(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，減小建筑物的水平位移。

3.2 剪力墻體系

剪力墻體系就是指在受力主體全部為平面剪力墻構(gòu)件時(shí)，則形成剪力墻體系，剪力墻體系的性能具有一定的優(yōu)越性，這是由其本身所具有較高的強(qiáng)度和剛度決定的。在承受垂直方向上的水平作用力時(shí)，它的位移曲線會呈現(xiàn)彎矩形狀。

3.3 筒體體系

筒體體系是指用筒體作為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系，常見于跨度較大的建筑之中，它具有很強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，能使構(gòu)建之間受力均勻，抗震性能優(yōu)越。其形式多樣，主要分為實(shí)腹筒和空腹筒。實(shí)腹筒是由平面和曲面構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)簡體，空腹筒則是由密集的柱體和窗裙梁所構(gòu)成的一種空間受力構(gòu)件，筒體體系具有非常顯著的優(yōu)越性。

4 城市高層建筑結(jié)構(gòu)分析

4.1 高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定

4.1.1 彈性假定。彈性的計(jì)算方法在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)分析上應(yīng)用最為廣泛。在實(shí)際工作中，彈性假定基本符合結(jié)構(gòu)工作狀況，在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，但彈性計(jì)算方法并不是萬能的，當(dāng)建筑受到外力作用時(shí)就會發(fā)生位移或者出現(xiàn)裂縫，這一階段被稱為彈塑性工作階段，彈性計(jì)算方法在這一階段無法反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀況，此時(shí)就需要用到彈塑性動力分析法來計(jì)算其內(nèi)力和位移。

4.1.2 小變形假定。構(gòu)件產(chǎn)生微小變形即構(gòu)件在外力作用下產(chǎn)生變形，但其變形量遠(yuǎn)小于構(gòu)件本身的尺寸時(shí)我們就可以忽略構(gòu)件的變形，按構(gòu)建的原始尺寸來進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算方式得以簡化。這種方法被稱為小變形假定，也是當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛的方法。但在需要分析構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性或研究大變形平衡問題時(shí)，小變形假定就不適用了。

4.1.3 剛性樓板假定。剛性樓板假定是指忽略平面外的剛度，將平面內(nèi)的剛度假設(shè)為無限大，進(jìn)而分析高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法。這種假定能夠在很大程度上減小結(jié)構(gòu)位移的自由度，使計(jì)算方法得到簡化。許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度，簡化了計(jì)算方法。

4.2 高層建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法

4.2.1 框架―剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算方式有很多，但在未知量和不同因素的影響下不同方法實(shí)現(xiàn)的具體形式有所差異。一般來說，最常用的是連梁連續(xù)化假定的方式。即假定兩墻肢的水平位移完全相等，剪力墻和框架轉(zhuǎn)角位移相同，各墻肢或連梁的截面、層高等幾何尺寸相等，對連梁的軸向變形完全忽略不計(jì)，以此建立一個(gè)以位移和外部載荷為條件的方程式。這種假定在樓層數(shù)較多的情況下十分適用，且樓層越多，計(jì)算結(jié)果的精度越高。

4.2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)。

剪力墻的開洞大小會影響剪力墻的受力的特點(diǎn)和變形狀態(tài)，由于剪力墻的截面形狀和應(yīng)力分布狀況不同，在計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)也要采用不同的計(jì)算方法。剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算法經(jīng)常使用的是平面有限單元法，這種方法一般用于應(yīng)力分布復(fù)雜的情形下，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，計(jì)算結(jié)果的精度高，其不足在于這樣計(jì)算會消耗很多時(shí)間。

4.2.3 筒體結(jié)構(gòu)。

按對計(jì)算模型處理方式的不同可將筒體結(jié)構(gòu)分析法分為等效連續(xù)化法、等效離散化法和三維空間分析法。本文主要分析了等效連續(xù)化的方法，用連續(xù)函數(shù)來描述結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。另外一種就是將其進(jìn)行幾何和物理上的連續(xù)化處理。這種方法一般在桿系結(jié)構(gòu)的分析中應(yīng)用較為廣泛。

結(jié)束語：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的是使建筑物能滿足其功能需求，保證建筑物的安全性、藝術(shù)性和實(shí)用性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能進(jìn)一步提升高層建筑的質(zhì)量，推動高層建筑向更高水平發(fā)展。此外，結(jié)構(gòu)造價(jià)是建筑工程造價(jià)的一大主要部分，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效的降低工程造價(jià)，優(yōu)化企業(yè)的綜合效益。相關(guān)從業(yè)人員要認(rèn)真分析和討論當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所存在的問題，在注重經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)必須要重視技術(shù)性，加強(qiáng)人員培訓(xùn)，積極引進(jìn)新技術(shù)，新概念，推動建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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