高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李曉碩

（中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050000）

隨著建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于住宅設(shè)計(jì)質(zhì)量引發(fā)了社會(huì)大眾的關(guān)注?，F(xiàn)階段住宅主要以剪力墻結(jié)構(gòu)作為主體，具有較強(qiáng)的安全性以及穩(wěn)定性能。因此對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，有著十分重大的現(xiàn)實(shí)作用以及經(jīng)濟(jì)作用。本文主要探討剪力墻結(jié)構(gòu)在高層住宅的應(yīng)用，并就如何優(yōu)化進(jìn)行相應(yīng)探討，并給出有針對(duì)性的解決建議，希望能夠提高剪力墻的設(shè)計(jì)質(zhì)量，給相關(guān)設(shè)計(jì)人員以參考。

1 高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

高層住宅的結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻的作用是主要承受外部的荷載作用，抵抗外部的變形以及在發(fā)生地震時(shí)起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)主體的作用，能夠防止剪切破壞。在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻在設(shè)計(jì)上追求對(duì)稱性以及均勻性，盡量做到分散，并且具有彎曲的延展性能，同時(shí)抗震性比較好。剪力墻自身?yè)碛休^強(qiáng)的承載能力，在發(fā)生外部環(huán)境變化的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證主體結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)這種設(shè)計(jì)也存在缺陷，它的空間布置不夠靈活，顯得比較笨重，一般在設(shè)計(jì)中采用一些優(yōu)化的復(fù)合體系，比如說(shuō)框剪結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)結(jié)合框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短，來(lái)提升剪力墻的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 高層剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

針對(duì)高層建筑所采取的剪力墻結(jié)構(gòu)具備側(cè)移控制、水平荷載、軸向變形以及結(jié)構(gòu)延性等特點(diǎn)，因此在對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮到以下幾點(diǎn)，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備較大的自重，具備較高的抗側(cè)剛度，且側(cè)移范圍較小，吸收性能相對(duì)較好，可有效降低地震對(duì)高層建筑所造成的沖擊。高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)在厚度與高度方面和低層建筑相比更大，其抗剪強(qiáng)度會(huì)消耗相對(duì)較小的荷載能量，因此在設(shè)計(jì)高于20層的高層建筑時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)全截面抗彎作為理論基礎(chǔ)來(lái)將剪力墻截面彎曲破壞所具備的極限承載力進(jìn)行計(jì)算，一般來(lái)說(shuō)剪力墻結(jié)構(gòu)中的門(mén)窗洞口尺寸越小，其所具備的整體性能越優(yōu)秀。同時(shí)，在對(duì)高層建筑剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)合理劃分剪力墻結(jié)構(gòu)中的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)框架美觀整潔的目的。需要注意的是，一般采取了混凝土作為剪力墻結(jié)構(gòu)的原材料，自身具備一定的重量，在受到地震沖擊時(shí)極易對(duì)整體產(chǎn)生較大的破壞，且剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度也會(huì)受到地震的影響，給居民帶來(lái)一定的安全隱患，因此在這方面還有待優(yōu)化與完善。

3 高層住宅剪力墻設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

3.1 配筋的設(shè)計(jì)問(wèn)題

第一，高層住宅剪力墻邊緣的構(gòu)件失去作用。由于建筑物的抗震等級(jí)不同，剪力墻結(jié)構(gòu)的邊緣構(gòu)件也不盡相同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員如果所選用的抗震截面的受壓能力無(wú)法滿足要求，剪力墻邊緣構(gòu)件也屬于無(wú)效設(shè)計(jì)。在我國(guó)高層建筑住宅設(shè)計(jì)中，廣泛應(yīng)用短肢剪力墻，但是剪力墻邊緣構(gòu)件大都是以普通剪力墻為主，因此可能不能充分發(fā)揮邊緣構(gòu)件的作用。第二，構(gòu)件配筋穩(wěn)定性。配筋問(wèn)題主要出現(xiàn)在約束的邊緣構(gòu)件，由三部分所構(gòu)成：主要有陰影部分的配件，非陰影部分的配件以及剪力墻水平的分布筋，這三個(gè)部分都對(duì)于剪力墻有十分重要的影響。但是對(duì)于配筋邊緣構(gòu)件沒(méi)有形成捆扎綁定的形式，導(dǎo)致一些陰影分布筋無(wú)法發(fā)揮出主要的作用。一些非陰影的配筋出現(xiàn)重疊等不合理的現(xiàn)象。同時(shí)剪力墻水平分布筋可能會(huì)出現(xiàn)連接不當(dāng)，造成接觸面積下降，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 轉(zhuǎn)角窗的設(shè)計(jì)問(wèn)題

第一，轉(zhuǎn)角窗的設(shè)計(jì)缺乏合理性。在工程設(shè)計(jì)人員對(duì)轉(zhuǎn)角窗進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，所采用的豎向構(gòu)件無(wú)法對(duì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角窗進(jìn)行約束，必然會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，同時(shí)還能會(huì)增大轉(zhuǎn)角窗的彎曲變形程度，威脅群眾的安全。第二，轉(zhuǎn)角窗過(guò)梁設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，在一般情況下，設(shè)計(jì)人員對(duì)于轉(zhuǎn)角窗的上梁洞口所在地要經(jīng)過(guò)合理的計(jì)算，但是如果無(wú)法對(duì)洞口所在地進(jìn)行確認(rèn)，必然會(huì)使得轉(zhuǎn)角窗過(guò)梁連接時(shí)存在問(wèn)題，嚴(yán)重降低高層住宅建筑剪力墻的穩(wěn)定性。剪力墻結(jié)構(gòu)是主要的水平抗震構(gòu)件，它的平面剛度比較大，尺寸比較小，在設(shè)計(jì)中容易滿足高層的側(cè)向位移的性質(zhì)以及使用功能的要求。隨著高層建筑水平高度的逐漸增大，它的承受水平力的作用也隨之增大，對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)置，可以有效的提升極限的承載能力。在剪力墻中，外墻的內(nèi)力明顯增大，因此需要避免設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，如果必須要設(shè)置時(shí)，要采取一定的強(qiáng)化措施，比如說(shuō)可以在轉(zhuǎn)角窗的樓板加厚，并且可以設(shè)置雙層雙向配筋，在轉(zhuǎn)角窗的位置設(shè)置從底到頂?shù)倪吘壖s束構(gòu)件，它的抗截面以及連續(xù)梁的跨度都不能夠忽視，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該及時(shí)調(diào)整連續(xù)梁的跨高比，并且盡量進(jìn)行優(yōu)化。

4 高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化的原則

高層住宅剪力墻在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵循對(duì)稱以及分散性的原則，盡量實(shí)現(xiàn)均勻性，與周邊環(huán)境形成統(tǒng)一的整體。剪力墻在分布方向上可以沿著縱橫兩個(gè)方向進(jìn)行布置；剪力墻比較適合布置在房屋的端部變化處，或者是平面結(jié)構(gòu)的變化處，也可以是荷載比較大的位置，或者是樓梯間和電梯間等位置。在布置上盡量實(shí)現(xiàn)均勻和分散，以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用力。

4.2 模型計(jì)算優(yōu)化措施分析

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算時(shí)，需要通過(guò)對(duì)相關(guān)指標(biāo)的分析來(lái)考量剪力墻結(jié)構(gòu)布置的合理性。例如，可以通過(guò)觀察樓層最小剪力系數(shù)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，在確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的前提之下使得樓層的最小剪力接近規(guī)范的規(guī)定限值，從而降低結(jié)構(gòu)自重，實(shí)現(xiàn)降低工程造價(jià)的目標(biāo)。還有，在一些工程項(xiàng)目當(dāng)中，某一方向的層間位移比可能過(guò)大，此時(shí)并不是盲目的去增加該方向的剛度，而是需要同時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)的剪重比，如果結(jié)構(gòu)的剪重比已經(jīng)偏大了則應(yīng)降低另一方向的剛度，這樣不僅能解決位移比問(wèn)題，同時(shí)還減少了結(jié)構(gòu)造價(jià)。

4.3 對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有效的控制

需要對(duì)于高層住宅剪力墻位移比、周期比以及位移角等重要的參數(shù)進(jìn)行控制，使得住宅剪力墻滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。在高層建筑中，豎向構(gòu)件的平移和層間位移的比值也就是位移比，能夠使得建筑的不規(guī)則性得到了限制，能夠有效防止出現(xiàn)偏心率或者是主線的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效控制，需要在高層建筑豎向構(gòu)件位移比進(jìn)行明確的規(guī)定，指標(biāo)在整個(gè)剪力墻布置過(guò)程中起到非常重要的指引作用，也需要按照建筑工程實(shí)際情況進(jìn)行布置，以滿足指標(biāo)要求。

4.4 對(duì)剪力墻墻肢進(jìn)行優(yōu)化

部分剪力墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度相對(duì)較大，針對(duì)這一問(wèn)題就可以在該剪力墻結(jié)構(gòu)中進(jìn)行開(kāi)洞，以此來(lái)把較長(zhǎng)的剪力墻分割為單獨(dú)、均勻的小型墻段，這樣一來(lái)就較難產(chǎn)生裂縫，從而讓剪力墻結(jié)構(gòu)中的鋼筋本身所具備的支撐作用得到最大化的發(fā)揮。在受到地震的沖擊時(shí)，剪力墻墻肢過(guò)大極易產(chǎn)生破壞，因此通過(guò)對(duì)剪力墻墻肢進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效降低被破壞的機(jī)率，減少后期的維修成本支出。

4.5 對(duì)于剪力墻連梁進(jìn)行優(yōu)化

剪力墻連梁主要是指各個(gè)剪力墻之間的相互連接的梁，一旦剪力墻墻體受力過(guò)大，必然會(huì)引發(fā)變形現(xiàn)象，降低建筑物的使用壽命。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，將剪力墻連梁進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于連梁的高度進(jìn)行有效控制，確保其在合適的范圍內(nèi)，避免因?yàn)槌叽鐔?wèn)題造成連梁剪切變形。同時(shí)對(duì)剪力墻連梁受力進(jìn)行控制，合理的規(guī)范相應(yīng)的結(jié)構(gòu)屬性。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，避免出現(xiàn)墻體厚度降低的情況，這種做法容易出現(xiàn)剛性的驟變，必須要明確剪力墻的位置以及數(shù)量，上下保持統(tǒng)一，使得剪力墻沿著住宅整體的高度均勻發(fā)生變化。

4.6 對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)過(guò)渡層進(jìn)行優(yōu)化

高層建筑在受到地震沖擊時(shí)，底層框架中的剪力墻同樣會(huì)受到較大的應(yīng)力，加之荷載的影響，在剪力墻結(jié)構(gòu)中的過(guò)渡層會(huì)降低其墻體本身的承載力，如若不對(duì)其進(jìn)行有效的優(yōu)化，那么就會(huì)留下一定的安全隱患。在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)過(guò)渡層進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)計(jì)算過(guò)渡層墻體的最大受壓數(shù)值，并在其中適當(dāng)增加構(gòu)造柱，讓后續(xù)的墻過(guò)渡層可以提升其對(duì)于地震剪切力的傳遞效果，從而最大化地提高過(guò)渡層所具備的延展性能及對(duì)能量進(jìn)行消耗的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

在高層建筑住宅結(jié)構(gòu)中，剪力墻發(fā)揮著非常重要的作用，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)于剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合高層住宅建筑的設(shè)計(jì)具體要求，選擇合理的設(shè)計(jì)布局，做好相應(yīng)的延伸處理，不斷提升剪力墻的設(shè)計(jì)性能與強(qiáng)度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。應(yīng)該做好高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，特別是對(duì)墻體平面外彎矩、剪力墻連梁進(jìn)行優(yōu)化，可以達(dá)到提升主體工程質(zhì)量的目的。