芻議高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)要點(diǎn)

曹晨亮

【摘要】隨著建筑不斷的復(fù)雜化以及建筑高度的不斷提升，剪力墻結(jié)構(gòu)成為了現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為常用的結(jié)構(gòu)類型之一，其被廣泛應(yīng)用在住宅和旅館建筑結(jié)構(gòu)中。，本文根據(jù)筆者多年的高層建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對高層建筑剪力墻體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剪力墻結(jié)構(gòu)；構(gòu)造設(shè)計(jì)

1、剪力墻的特點(diǎn)及分類

剪力墻能較好的抵抗水平荷載。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將其稱為抗震墻。剪力墻能有效抵抗水平荷載，具有以下主要特點(diǎn)：

（1）抗側(cè)剛度大，側(cè)移小；（2）室內(nèi)墻面平整；（3）結(jié)構(gòu)自重大，吸收地震能量大；（4）施工較麻煩，造價(jià)較高。剪力墻根據(jù)是否開洞和開洞大小，可以分為如下四類：

①實(shí)體墻：不開洞或開洞面積不大于15%的墻。受力特點(diǎn)：如一個(gè)整體的懸臂墻。在整個(gè)高度上，彎矩圖既不突變，也無反彎點(diǎn)，變形以彎曲型為主。

②整體小開口剪力墻：開洞面積大于15%但仍較小的墻。受力特點(diǎn)：彎矩圖在連梁處突變，在整個(gè)墻胺高度上沒有或僅僅在個(gè)別樓層才發(fā)生反彎點(diǎn)。

③）雙肢或多肢剪力墻：開洞比較大或洞口成列布置的墻。受力特點(diǎn)與整體小開口墻相似。

④壁式框架：洞口尺寸大，連梁線剛度與墻肢線剛度相近的墻。受力特點(diǎn)：彎矩圖在樓層處發(fā)生突變，而且在大多數(shù)樓層中都出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

2、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)要點(diǎn)

2.1剪力墻結(jié)構(gòu)布置技巧

對于一般剪力墻布置來說，其應(yīng)當(dāng)主要沿主軸方向布置，而針對巨型、L形、T形等建筑平面，則可采用沿兩個(gè)軸線方向布置。在布置剪力墻時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)只有單向有墻的情況，同時(shí)對內(nèi)外剪力墻采取拉通對直設(shè)置。另外還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與剛度中心的重合，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。這就要合理充分掌握剪力墻布置間距來體現(xiàn)。剪力墻布置間距適中將有助于發(fā)揮剪力墻抗側(cè)力構(gòu)件作用，而且還可以合理地增大結(jié)構(gòu)的利用空間。對于剪力墻布置間距過少，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度過大，造成結(jié)構(gòu)的不經(jīng)濟(jì)性。再次，對于剪力墻上難以避免的洞口，鑒于洞口大小、位置以及數(shù)量對高層建筑剪力墻的受力影響很大，因此對于剪力墻上的門窗洞口布置應(yīng)當(dāng)上下對齊，明確墻肢和連梁的位置，且剛度相差不大，應(yīng)避免三個(gè)以上的洞口集中于同一個(gè)十字交叉墻附近。另外，由于剪力墻中的連梁剛度較弱，不宜將樓面主梁支承載在連梁上。

2.2剪力墻中大墻肢處理

剪力墻的結(jié)構(gòu)必須具備延展性，對于呈細(xì)高狀的剪力墻（高寬比大于2）很容易被設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻，這樣一來可以避免受到脆性的剪切破壞。在墻長度較長的情況下，為滿足每墻段的高寬比均大于2，可以通過開洞的方式分割長墻為小而均勻的獨(dú)立墻段。除此以外，在墻段長度較小時(shí)其受彎產(chǎn)生的裂縫寬度較小，可以充分發(fā)揮墻體配筋的支撐作用。而對于剪力墻結(jié)構(gòu)中，存在較少的長度大于8m的大墻肢，在理論計(jì)算中樓層的剪力大部分由這些大墻肢來承受。在發(fā)生地震特別是超烈度等強(qiáng)烈震動(dòng)時(shí)，最容易受到破壞的便是這些大墻肢。小墻肢因沒有足夠的配筋，使整個(gè)墻面結(jié)構(gòu)會(huì)受到全面破壞。為避免這種不利現(xiàn)象的發(fā)生，對于超過8m的墻肢長度，可以采取以下兩種處理方法：①開施工洞：開施工洞即在施工時(shí)墻內(nèi)留洞，完工時(shí)砌填填充墻，把長墻肢分成短墻肢。②開計(jì)算洞：是指在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)設(shè)有洞，施工時(shí)仍為混凝土墻。但通過這樣的計(jì)算方式，可以加強(qiáng)其它小墻肢的配筋能力。這種方式主要適用于地下室外墻等不易實(shí)施開洞的剪力墻。

2.3有效的優(yōu)化連梁設(shè)計(jì)

在對連梁抗震性與非抗震性設(shè)計(jì)時(shí)，從高跨比上來分類主要有兩種，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。因此在對連梁設(shè)計(jì)時(shí)可以采用兩種方式。首先是在開始計(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，無論采取哪種算法，在實(shí)際使用時(shí)都需要來確定相應(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。

2.4配筋設(shè)計(jì)

墻體的配筋率，目前規(guī)定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中，豎向和水平分布筋的最小配筋率均不應(yīng)小于0.25%；部分框支剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋率不應(yīng)小于0.3%；這配筋率比其在80年代前的配筋率：0.07—0.1%要大多了，和國外的配筋率0.1—0.25%的高者基本接軌，這在高層或者較長的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)該是合理的，但對于低矮、短小的剪力墻值得探討。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)起抵抗溫度應(yīng)力防止砼出現(xiàn)裂縫，設(shè)計(jì)中當(dāng)建筑物較高較長或框剪結(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。但對于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否適當(dāng)減小值得探討。墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層剪力墻中計(jì)算結(jié)果多為構(gòu)造配筋；但配筋時(shí)所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的鋼筋，筆者認(rèn)為豎向最小配筋率，應(yīng)該包括邊緣構(gòu)件中的鋼筋，墻肢的豎向配筋原則也應(yīng)該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距不大于300mm，也應(yīng)該注意防止豎筋過多使墻的抗彎強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，對抗震不利。

2.5注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑功能和形式日益多樣化，當(dāng)多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部、中部和下部使用功能不同時(shí)，結(jié)構(gòu)布置也要相應(yīng)改變，要設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件銜接上下結(jié)構(gòu)，傳遞內(nèi)力。設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件的樓層稱為轉(zhuǎn)換層。因此，對于高位轉(zhuǎn)換的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)慎重設(shè)計(jì)，由于高位轉(zhuǎn)換時(shí)剛度和質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)換層升高。調(diào)整轉(zhuǎn)換層本身及其上下的剛度比使之接近是必要的，轉(zhuǎn)換層本身的剛度和質(zhì)量不宜大。最終可通過水平力作用下精確的空間分析檢查轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角是否基本均勻，宜盡量選用剛度和重量較小的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算時(shí)應(yīng)多取參與組合的振型數(shù)。

2.6優(yōu)化設(shè)計(jì)上下部的結(jié)構(gòu)

（1）減少結(jié)構(gòu)上部的剛度，具體來說就是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，在上部結(jié)構(gòu)中盡量的少設(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)。而在上部結(jié)構(gòu)符合相應(yīng)的壓軸比后，要盡量的縮短墻肢。

（2）加大結(jié)構(gòu)下部的剛度。在高層建筑滿足相應(yīng)的功能需求后，就可以在較大的空間層之中來設(shè)置一定的落地剪力墻結(jié)構(gòu)，但是要均勻的布置，避免集中布置。其次，針對轉(zhuǎn)換層的上下部剛度也要合理的選擇。剪力墻轉(zhuǎn)換的剛度如果過大，在實(shí)際中就會(huì)增加對地震的反映能力以及要提高豎向的剛度要求，但是這樣就會(huì)增加材料用量，在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。剪力墻的轉(zhuǎn)換層剛度如果過小，在實(shí)際中也很容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，這樣就會(huì)在水平結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)明顯的次應(yīng)力現(xiàn)象，增加配筋的使用量。其中一個(gè)最突出的表現(xiàn)就是正交主次轉(zhuǎn)換梁與次梁之間的轉(zhuǎn)換，而此時(shí)，就需要來合理的選擇截面的尺寸，還要考慮剛度是否達(dá)到了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。

3、結(jié)語

在高層建筑不斷發(fā)展的需求下，如何在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上滿足高層建筑的樣式創(chuàng)新、功能需求以及結(jié)構(gòu)安全性，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的模型將是未來的目標(biāo)和方向。因此我們在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每個(gè)細(xì)節(jié)，從而使高層建筑更具合理性和安全性。

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