分析高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其優(yōu)化策略

文/文善任 湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

現(xiàn)階段，高層建筑的建設(shè)不斷增加，促使剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。其具有較強(qiáng)的抗震性能，而且建設(shè)使用的鋼材料量小，經(jīng)濟(jì)效益明顯，同時(shí)結(jié)構(gòu)不會(huì)漏出梁柱，美觀(guān)性較好。目前來(lái)說(shuō)，采用的剪力墻結(jié)構(gòu)，主要類(lèi)型如下：1）整體型剪力墻；2）小開(kāi)口整體型剪力墻；3）聯(lián)肢墻型剪力墻等。現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例，分析高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1、項(xiàng)目概述

以某高層建筑項(xiàng)目為例，其基本情況如表1所示。此建筑的基本風(fēng)壓為0.40kN/m2，建設(shè)場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ級(jí)，建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，按照8 度抗震設(shè)防，其余指標(biāo)情況如表2所示。現(xiàn)結(jié)合此實(shí)例，分析高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，總結(jié)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。

表1 建筑工程基本情況

表2 建筑指標(biāo)基本情況

2、高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)難度大

從剪力墻的結(jié)構(gòu)角度來(lái)說(shuō)，主要是由縱向剪力墻和橫向剪力墻以及樓蓋組成，屬于常見(jiàn)的高層建筑空間結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用。因?yàn)榭v向剪力墻和橫向剪力墻實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要求形成較強(qiáng)的剛度，在水平方向產(chǎn)生較小的位移。剪力墻的應(yīng)用，其自身的抗震性能以及抗風(fēng)性能優(yōu)越，對(duì)承載力要求很高，因此剪力墻結(jié)構(gòu)整體具有緊湊的特點(diǎn)，增加了設(shè)計(jì)的難度。

2.2 設(shè)計(jì)要求高

從高層民用建筑的角度來(lái)說(shuō)，其建設(shè)的質(zhì)量和安全要求較高，因此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高要求。在具體實(shí)踐中需要設(shè)計(jì)人員能夠結(jié)合建筑功能情況，合理選擇剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案，嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，做好剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，尤其是細(xì)節(jié)的優(yōu)化，確保設(shè)計(jì)方案的合理性和科學(xué)性。在具體設(shè)計(jì)時(shí)需做好以下要點(diǎn)的把控：1）水平荷載。建筑的結(jié)構(gòu)特性和建筑自重及附加荷載產(chǎn)生的軸力等，有著很大的關(guān)系，同時(shí)和樓房的高度呈現(xiàn)正比關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，高層建筑自重和荷載，比如豎向荷載，存在著比值關(guān)系，這和建筑結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，建筑使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)變化。2）軸向變化。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重建筑豎向自重荷載的把控，以免建筑使用時(shí)產(chǎn)生軸向變形，給連續(xù)梁彎矩造成影響[1]。

3、高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

3.1 合理布置剪力墻結(jié)構(gòu)

從剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，若想要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，要注重合理布置剪力墻結(jié)構(gòu)。在具體設(shè)計(jì)中做好以下要點(diǎn)的把控：1）精準(zhǔn)區(qū)分普通剪力墻與短肢剪力墻的差異。一般來(lái)說(shuō)，普通剪力墻指的是墻肢長(zhǎng)度和厚度比不小于8 的建筑剪力墻，也就是200mm 厚度的剪力墻，設(shè)置的墻肢長(zhǎng)度不小于1600mm。設(shè)計(jì)的短肢剪力墻，其主要為截面厚度小于300mm，同時(shí)各墻肢截面高度和厚度比值在5-8 范圍內(nèi)的剪力墻。相比普通剪力墻，短肢剪力墻的抗震性能較弱，因此設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合建筑工程建設(shè)區(qū)域和工程地質(zhì)情況等，合理選擇剪力墻形式。2）設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，要避免設(shè)置獨(dú)立小墻肢。因?yàn)榇祟?lèi)墻肢的存在，增加了建筑施工的難度，因此有必要合并孔洞。3）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中要確保結(jié)構(gòu)整體的剛度。在開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí)要做好自振周期的把控，使其處于0.05n-0.08n，n 指的是結(jié)構(gòu)總層數(shù)，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的性能[2]。精準(zhǔn)計(jì)算建筑剪力墻的剛度參數(shù)，同時(shí)確保剛度以及剪力墻層數(shù)相互匹配，擴(kuò)大建筑內(nèi)部的有效使用空間以及承載力。除此之外，要注重混凝土的控制，按照位移極限規(guī)范，合理增強(qiáng)建筑墻肢和建筑連梁之間所具有的抗剪性能，有效降低截面設(shè)計(jì)的難度系數(shù)。

3.2 優(yōu)化剪力墻的平面布置

從建筑剪力墻平面的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)說(shuō)，要做好以下要點(diǎn)的把控：1）保證平面的對(duì)稱(chēng)性。建設(shè)的剪力墻必須要順著中心軸線(xiàn)，做好對(duì)稱(chēng)性的把控，保證設(shè)計(jì)的合理性，促使墻體重心能夠和建筑結(jié)構(gòu)剛度中心盡可能重合，以此減少扭轉(zhuǎn)。2）布置的剪力墻不可以過(guò)密，建議多設(shè)置均勻長(zhǎng)墻，墻體長(zhǎng)度小于等于8m，少布置短墻，同時(shí)墻肢的厚度應(yīng)該沿著高度合理變化。3）堅(jiān)持強(qiáng)周邊和弱中部的原則，優(yōu)選L 形平面和T 形平面以及十字型平面，盡量少布置復(fù)雜的平面，最大程度上保障剪力墻結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，同時(shí)保持側(cè)向剛度的合理性。堅(jiān)持周邊和對(duì)稱(chēng)以及封閉的設(shè)計(jì)原則，來(lái)布置剪力墻，保證平面剛度以及抗扭剛度達(dá)到最大，增強(qiáng)建筑物結(jié)構(gòu)的整體抗震效果。若想保證建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益，必須要做好各個(gè)墻肢的軸壓比把控，盡量接近相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)軸壓比限值[3]。

3.3 做好墻身設(shè)計(jì)的優(yōu)化

從剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐的角度來(lái)說(shuō)，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，要注重剪力墻數(shù)量的優(yōu)化和厚度優(yōu)化。剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須以保證結(jié)構(gòu)整體的性能為前提，最大程度上降低建筑建設(shè)的造價(jià)，做好初步設(shè)計(jì)質(zhì)量的把控。設(shè)計(jì)剪力墻施工圖紙時(shí)，要注重配筋方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度上確保墻身水平鋼筋和垂直鋼筋相互匹配，促使斜截面與正截面的抗剪承載力能夠和受彎承載力相互結(jié)合。嚴(yán)格按照建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，優(yōu)化布置暗柱以及端柱，積極完善各級(jí)結(jié)構(gòu)抗震措施，促使建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得以提升。除此之外，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)墻身的設(shè)計(jì)，必須要注重鋼筋間距的把控，進(jìn)而確保建筑墻身設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。堅(jiān)持選擇小直徑但是高強(qiáng)度的鋼筋原則，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，將建筑墻身的計(jì)算結(jié)果把控在建筑構(gòu)造配筋范圍內(nèi)，達(dá)到最小配筋率的基本要求。如果高度很高加之平面規(guī)則性很差，對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，合理增加鋼筋配筋率，把控在相對(duì)很小的幅度范圍內(nèi)，相比最小配筋率略高即可。

3.4 做好邊緣構(gòu)件的優(yōu)化

一般來(lái)說(shuō)，剪力墻邊緣構(gòu)件主要分為約束邊緣構(gòu)件以及構(gòu)造邊緣構(gòu)件。其中，約束邊緣構(gòu)件使用的配筋比較多。在設(shè)計(jì)時(shí)若剪力墻軸壓比超過(guò)相應(yīng)數(shù)值以后，若想達(dá)到1-3 級(jí)抗震要求，建設(shè)的剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)以及上層，建議布置約束邊緣構(gòu)件，其余樓層布置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要依據(jù)底部加強(qiáng)位置以及非加強(qiáng)位置的具體情況，合理區(qū)分配筋，適當(dāng)設(shè)置邊緣構(gòu)件過(guò)渡層，同時(shí)要滿(mǎn)足各等級(jí)抗震以及不同抗震設(shè)防烈度要求下的剪力墻抗震措施[4]。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性和科學(xué)性，直接影響著建筑結(jié)構(gòu)的使用性能，因此要做好嚴(yán)格的把控。文中結(jié)合實(shí)際案例，總結(jié)了設(shè)計(jì)優(yōu)化的把控措施，分享給相關(guān)人員參考。