高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

【摘要】城市人口的增多導(dǎo)致可利用土地面積減少，因此，為了使人們?nèi)找嬖黾拥木幼⌒枨蟮玫綕M足，高層建筑結(jié)構(gòu)得到了快速地發(fā)展，同時隨著建筑高度的不斷增加，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性能也有了更高的要求。剪力墻結(jié)構(gòu)由于具備較好的抗震性能，有著平面內(nèi)剛度大和承載能力強等優(yōu)點，所以被廣泛運用在高層建筑當(dāng)中。在高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該著重考慮如何提高剪力墻的抗震能力，使人們的人身、財產(chǎn)安全有所保障。

【關(guān)鍵詞】高層;剪力墻結(jié)構(gòu);抗震性能

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.096

為了保證高層建筑的抗震性和穩(wěn)定性，設(shè)計人員應(yīng)該加強對高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的研究和分析，并且能夠根據(jù)不同地區(qū)的不同情況，對剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能展開不同的研究，以此來提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，使剪力墻結(jié)構(gòu)能夠達到最理想的承載能力，保證人們的人身、財產(chǎn)安全。文章通過對高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的分析和研究，提出了一些相關(guān)的設(shè)計思路供該類結(jié)構(gòu)設(shè)計參考，使高層建筑的安全性和穩(wěn)定性能夠有所保證。

1、剪力墻結(jié)構(gòu)概述

剪力墻結(jié)構(gòu)由于具備較好的抗震性能，且同時具有較好的抗側(cè)剛度和穩(wěn)定性，能夠滿足人們在正常使用時對舒適度的要求，因此剪力墻結(jié)構(gòu)開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)被廣泛地運用到高層建筑當(dāng)中。相較于傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)可以提供更大的側(cè)向剛度，在水平荷載作用下使剪力墻承受剪力和彎矩，在相同的水平荷載的作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更小的側(cè)向變形，將剪力墻結(jié)構(gòu)運用于高層建筑中具有更好的安全性能和抗震性能。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)的布置原則

在高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻承擔(dān)了全部的豎向作用力和水平作用力，剪力墻結(jié)構(gòu)的布置是否合理直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性能;因此，設(shè)計人員在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)保證剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計符合剪力墻的布置原則，這樣才能避免由于剪力墻結(jié)構(gòu)的布置不合理而造成工程成本的浪費，并且降低了高層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性能。文章對剪力墻結(jié)構(gòu)的布置原則進行了如下的闡述和歸納，可為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一般性的參考。

2.1保持豎向剛度均勻

剪力墻應(yīng)沿房屋建筑全高貫通布置，保持剪力墻沿建筑全高有均勻的豎向剛度。當(dāng)剪力墻的布置沿建筑物豎向發(fā)生較大改變時，會造成建筑結(jié)構(gòu)在較大改變處發(fā)生剛度突變，這樣會產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而導(dǎo)致產(chǎn)生較大的內(nèi)力與變形，這樣不利于高層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能

發(fā)揮，進行剪力墻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時應(yīng)盡量避免剪力墻沿豎向剛度不均勻這種情況。當(dāng)剪力墻需要沿豎向發(fā)生改變時，可以允許墻肢厚度和混凝土等級改變，也允許減少部分墻肢，使結(jié)構(gòu)豎向剛度逐漸減小，避免產(chǎn)生剛度突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中的現(xiàn)象發(fā)生。

當(dāng)剪力墻的豎向布置自下而上逐漸減小時，樓層的側(cè)向剛度應(yīng)盡量滿足大于等于相鄰上一樓層的70%和其上三個相鄰樓層側(cè)向剛度均值的80%;且還需滿足樓層層間受剪承載力應(yīng)盡量大于等于上一樓層受剪承載力的65%。

2.2雙向布置剪力墻

設(shè)計人員在進行剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置時，宜沿建筑結(jié)構(gòu)主要軸線進行雙向布置，保持兩個方向的抗側(cè)剛度不相差太大，這樣更有利于保證剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能和抗震性能的發(fā)揮。因此在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)盡量避免僅單向布置剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，并保持兩個方向的側(cè)向剛度接近，也即保持兩個方向的自振周期相接近。同時，在進行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，也應(yīng)注意剪力墻的布置不宜太過密集，而應(yīng)保持合適的抗側(cè)剛度。

2.3剪力墻洞口的設(shè)置

當(dāng)布置的剪力墻比較長時，宜設(shè)置洞口將較長的剪力墻分為均勻的幾段墻肢，墻肢之間用跨高比較大的連梁連接;每個獨立墻肢的總高度與墻肢長度之比宜大于3，墻肢長度宜小于8，這是由于墻肢長度較小時，在荷載作用下受彎產(chǎn)生的裂縫寬度也較小，墻肢的配筋可以充分的發(fā)揮作用。

同時，剪力墻的布置應(yīng)盡量對直拉通，這樣可以增加結(jié)構(gòu)的抗震能力。宜將門窗洞口上下各層對齊設(shè)置，這樣能夠形成受力明確、計算簡單的墻肢和連梁。在抗震設(shè)計時，應(yīng)盡量避免采用錯洞剪力墻和疊合錯洞墻;這是由于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻導(dǎo)致墻肢不規(guī)則，并且在洞口之間容易形成薄弱部分，對結(jié)構(gòu)抗震性能十分不利。

2.4避免全部采用短肢剪力墻

短肢剪力墻是指墻肢厚度小于等于300mm，墻肢截面高度與墻肢厚度之比大于4且小于等于8的剪力墻;高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)避免全部采用短肢剪力墻這種結(jié)構(gòu)形式，且應(yīng)盡可能避免采用一字形短肢剪力墻，結(jié)構(gòu)布置中的一字形短肢墻和短翼緣L形短肢墻可修改為T字形寬翼緣短肢剪力墻。

2.5加強周邊剪力墻的布置

通過合理加強周邊剪力墻的布置，且同時適當(dāng)減少內(nèi)部剪力墻的布置，可以在一定程度上增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭能力，可對減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)起到比較好的作用，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性能。

3、不同因素對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

3.1剪力墻厚度對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

剪力墻厚度增加，能夠在一定程度上增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，進而可以減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，這樣在一定程度上增強了結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時，隨著剪力墻厚度增加，結(jié)構(gòu)自振周期隨之減小。在實際設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，與調(diào)整剪力墻墻肢截面厚度相比，增加剪力墻數(shù)量，對提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和減小結(jié)構(gòu)側(cè)向位移作用更加顯著。

3.2連梁剛度對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

連梁剛度對剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞狀態(tài)影響非常大，其最理想的屈服過程是讓連梁屈服先于墻肢屈服，并且保證剪力墻具有足夠的延性，這樣設(shè)計出來的剪力墻結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能和耗能性能。

當(dāng)連梁剛度和連梁抗彎承載力比較高時，在水平荷載作用下連梁不一定先屈服，可能墻肢先屈服并在墻肢底部產(chǎn)生塑性鉸，這樣在墻肢底部形成了單鉸機構(gòu)，這時只要墻肢不發(fā)生剪切破壞，那么這種破壞還是具有一定的延性性能;但是，這種屈服過程沒有連梁先達到屈服并在連梁兩端產(chǎn)生塑性鉸這種多鉸耗能結(jié)構(gòu)抗震性能和延性性能好。因為，當(dāng)連梁剛度和連梁抗彎承載力較小時，在水平荷載作用下連梁先屈服并在連梁兩端產(chǎn)生塑性鉸，結(jié)構(gòu)剛度減小，結(jié)構(gòu)變形加大，這樣可以吸收很大一部分地震能量，具有很好的耗能能力;同時彎矩和剪力仍能通過塑性鉸進行傳遞，對墻體具有一定的約束作用，使剪力墻仍能保持一定的強度和剛度。在這種屈服過程中，連梁起到了很好的耗能作用，這對減小墻肢內(nèi)力和延緩墻肢屈服起到了很好的作用，具有很好的延性性能和抗震性能。

4、加強剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的措施

4.1適當(dāng)加強周邊剪力墻的布置

通過適當(dāng)加強周邊剪力墻的布置，可以在一定程度上增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)的能力，這對減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用有很好的效果，從而可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在實際設(shè)計過程中，當(dāng)?shù)谝慌まD(zhuǎn)周期與第一平動周期之比和樓層層間位移比超過規(guī)范限值時，通過適當(dāng)加強周邊剪力墻和適當(dāng)減小中間部位剪力墻的布置，能夠很好地解決這一類問題。

4.2保證剪力墻不同部位的鋼筋最小配筋率

剪力墻水平和豎向分布鋼筋的配筋率，一、二、三級應(yīng)大于等于0.25%，四級應(yīng)大于等于0.2%。短肢剪力墻豎向鋼筋的配筋率，一、二級時底部加強部位宜大于等于1.2%，三、四級時底部加強部位宜大于等于1.0%，一、二級時其余部位宜大于等于1.0%，三、四級時其余部位宜大于等于0.8%。保證剪力墻不同部位的鋼筋最小配筋率，可以在一定程度上提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性能。

4.3對剪力墻結(jié)構(gòu)進行延性設(shè)計

高層剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的破壞特性，分為剪切破壞和彎曲破壞，前者屬于脆性破壞，后者屬于延性破壞。脆性破壞在結(jié)構(gòu)破壞前沒有明顯的預(yù)兆或變形，這種破壞形式對結(jié)構(gòu)的安全性極其不利，在進行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該盡量避免這種脆性破壞的形式;延性破壞在結(jié)構(gòu)破壞前會有明顯的預(yù)兆或變形，這種破壞形式對結(jié)構(gòu)的安全性有一定保證，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)該盡量采取這種延性破壞形式。在實際設(shè)計過程中，通過“強墻弱梁”和“強剪弱彎”這兩條措施來保證設(shè)計的剪力墻結(jié)構(gòu)具備很好的延性性能和抗震性能。

結(jié)語：

由于剪力墻結(jié)構(gòu)具有比較好的側(cè)向剛度和承載能力，并且在可利用土地面積逐漸減小形勢下，高層剪力墻結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代高層建筑中得到越來越廣泛地運用。如何對剪力墻結(jié)構(gòu)進行更加合理地設(shè)計，進而保證高層剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下?lián)碛懈玫目拐鹦阅芎桶踩阅茱@得越來越重要。文章通過對高層剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的分析和研究，提出了一些相關(guān)的設(shè)計思路可供該類結(jié)構(gòu)設(shè)計作為參考。

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作者簡介：

劉佳霞，1990，男，漢族，湖南，湖南智謀規(guī)劃工程設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，研究生，工程師。