高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比分析

摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性。以實際項目為例，設(shè)置2種剪力墻布置方案，并計算2種方案下建筑的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工程成本，對比其合理性和經(jīng)濟(jì)性，研究結(jié)果表明：2種剪力墻布置方案下建筑結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)均滿足規(guī)范要求，具有足夠的穩(wěn)定性；方案二周期比、位移比和剪重比均小于方案一，最大層間位移角大于方案一，即方案二結(jié)構(gòu)體系具有更高的穩(wěn)定性、抗變形能力、抗震能力；對于高層建筑，風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響高于地震荷載；與方案一相比，方案二的混凝土與鋼筋成本分別減少9.69萬元和7.41萬元，表明方案二更加經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：剪力墻結(jié)構(gòu)；高層建筑；周期比；穩(wěn)定性；位移比

0" "引言

作為一種由鋼筋混凝土墻體形成的抗側(cè)力體系，剪力墻結(jié)構(gòu)通過墻體的整體作用來抵抗水平荷載，如地震和風(fēng)荷載，從而確保高層建筑在極端條件下的穩(wěn)定性和安全性[1-2]。其設(shè)計理念基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理，通過合理的墻體布置和配筋設(shè)計，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的高效性和經(jīng)濟(jì)性[3]。

剪力墻結(jié)構(gòu)因具有較高的承載能力、抗震性以及經(jīng)濟(jì)性在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。然而隨著高層建筑高度的不斷增加和功能的多樣化，人們對剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計也提出了更高的要求。不同的設(shè)計方案在受力性能、經(jīng)濟(jì)性和施工難度等方面存在顯著的差異[4]。因此對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行對比分析，探討其優(yōu)缺點，對于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高建筑質(zhì)量和降低建設(shè)成本具有重要意義。本文以某住宅項目為例，根據(jù)剪力墻布置原則，對原剪力墻布置方案進(jìn)行優(yōu)化，為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1" "工程概況

某住宅項目地上24層，地下2層，總建筑面積9656m2。地下1層和2層層高分別為4.5m和3.8m，建筑總高度69.90m，地上標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9m。建筑結(jié)構(gòu)類型為剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型為筏板基礎(chǔ)。建筑主體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，剪力墻抗震等級為三級，設(shè)計使用年限為50年。場地類別為三類，粗糙程度分別為B類，地震加速度為0.15g，地震分組為第一組。基本雪壓和風(fēng)壓均為0.45kN/m2，混凝土強(qiáng)度等級為C30。

2" "剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

剪力墻是一種常用的結(jié)構(gòu)形式，具有較好的抗震性能和承載能力。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理地優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)可以提高建筑物的整體穩(wěn)定性和安全性。

2.1" "均勻分布原則

剪力墻應(yīng)沿建筑物的主要軸線雙向均勻布置，避免僅單向布置，以確保兩個方向的抗側(cè)向剛度接近。同時在平面上，剪力墻應(yīng)形成多道聯(lián)肢剪力墻協(xié)同工作，盡量避免剪力墻錯位布置[5]。

2.2" "對稱布置原則

剪力墻應(yīng)盡量對稱布置，以減少結(jié)構(gòu)的偏心和扭轉(zhuǎn)。對稱布置可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。對于矩形平面，可以在對角線兩側(cè)對稱布置剪力墻。對于圓形或橢圓形平面，可以在徑向?qū)ΨQ布置。同時應(yīng)盡量使剪力墻的重心與建筑物的幾何中心重合，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.3" "開洞規(guī)范性原則

剪力墻中的開洞應(yīng)盡量避開墻體的中部，避免削弱墻體的整體剛度。例如，可以在墻體的上部或下部開設(shè)門窗洞口，而不是在中部開設(shè)。開洞的尺寸不宜過大，且應(yīng)盡量保持規(guī)則形狀，以減少對墻體剛度的影響。此外門窗洞口的尺寸也應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)[6]。

2.4" "受力分散性原則

布置剪力墻時，應(yīng)盡可能將地震力分散至多片剛度較為接近的剪力墻上，以避免單片墻過長或剛度過大導(dǎo)致地震力集中，從而達(dá)到降低單片墻破壞風(fēng)險的目的。在設(shè)計過程中，可以通過合理布置剪力墻的數(shù)量和位置，使得每片墻的受力更加均勻，提高整個結(jié)構(gòu)的抗震性能[7]。

2.5" "門窗洞口對齊原則

對于門窗洞口的布置，為提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和受力合理性，一般建議門窗洞口采用成列布置的方式，并確保其上下對齊。此方式有助于形成明確的墻肢和連梁，使結(jié)構(gòu)受力路徑更加清晰，從而有利于簡化計算過程、提高設(shè)計效率。需特別注意，在進(jìn)行抗震設(shè)計時，剪力墻底部加強(qiáng)部位不宜設(shè)置錯洞墻。因為錯洞剪力墻的應(yīng)力分布相對復(fù)雜，不僅給計算工作帶來了較大挑戰(zhàn)，同時也增加了構(gòu)造施工難度。

2.6" "經(jīng)濟(jì)合理性與施工可行性原則

在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，合理控制剪力墻的數(shù)量和厚度，有助于避免不必要的浪費。可通過優(yōu)化剪力墻的布置和截面尺寸，減少材料用量，降低工程造價。同時應(yīng)考慮施工的可行性和便捷性，選擇易于施工的布置方案。

3" "剪力墻布置方案

結(jié)合上述原則和項目特點，在盡量不調(diào)整墻厚的前提下對部分墻體尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使墻體受到的地震力更加均勻。如圖1所示為項目原始剪力墻布置方案（方案一）。如圖2所示為優(yōu)化后的剪力墻布置方案（方案二）。

4" "剪力墻優(yōu)化效果分析

通過PKPM計算軟件對優(yōu)化前后剪力墻結(jié)構(gòu)在風(fēng)、恒、活、地震等荷載下的內(nèi)力和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，分析剪力墻結(jié)構(gòu)方案的合理性。計算時參考項目信息、當(dāng)?shù)睾奢d規(guī)范、地質(zhì)條件等輸入模型參數(shù)，計算后主要對比兩種剪力墻布置方案下建筑結(jié)構(gòu)的周期比、層間位移角和位移比、剪重比以及經(jīng)濟(jì)性。

4.1" "周期比

周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比。在高層建筑中，這一比值用于評估結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是否處于合理范圍內(nèi)。兩種剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案各振型的周期值如圖3所示。

從圖3中能夠發(fā)現(xiàn)，方案一與方案二的第一自振周期比分別為0.750、0.755，均滿足規(guī)范中周期比不超過0.9的要求，表明兩種剪力墻布置方案均展現(xiàn)出良好的合理性，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則。同時相比方案一，方案二的布置在減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、提高整體穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，能夠通過剛度優(yōu)化來提升結(jié)構(gòu)性能。

4.2" "層間位移角和位移比

層間位移角和位移比是結(jié)構(gòu)工程中用于評估高層建筑結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的兩個重要參數(shù)，用于確保結(jié)構(gòu)的使用要求、穩(wěn)定性和剛度達(dá)到要求。

4.2.1" "位移比分析

位移比體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，主要通過位移比對結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性進(jìn)行控制，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)影響結(jié)構(gòu)安全。方案一和方案二的位移比如表1所示。

從表1中能夠發(fā)現(xiàn)，高層建筑剪力墻布置方案一和方案二在Y方向、X方向上的位移比均滿足規(guī)范中位移比不超過1.5和不超過1.2的要求。對比兩種不同剪力墻布置方案時，發(fā)現(xiàn)方案二在Y方向和X方向的位移比均小于方案一，表明采用方案二的建筑結(jié)構(gòu)在受到外力作用時，其各個部位的變形更為均勻和協(xié)調(diào)，不會出現(xiàn)局部變形過大或過小的情況。這種協(xié)調(diào)的變形模式不僅有助于提升結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，還能在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時，更有效地分散和吸收地震能量，從而減少結(jié)構(gòu)受到的損傷。

4.2.2" "層間位移角對比

層間位移角作為一個宏觀控制指標(biāo)，是指相鄰兩樓層之間的相對水平位移與樓層高度的比值，反映了結(jié)構(gòu)在受到側(cè)向力作用時，各層之間的變形程度。不同類型建筑和不同使用功能對應(yīng)的層間位移角限值可能有所不同。

方案一和方案二的層間位移角對比如表2所示。從表2中能夠發(fā)現(xiàn)，方案一和方案二的最大層間位移角均滿足規(guī)范中層間位移角低于1/1000的要求。相較于方案一，方案二的最大層間位移角更加接近規(guī)定限值，表明方案二可以將建筑材料性能更加有效地發(fā)揮出來，使結(jié)構(gòu)在抗震方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。

此外，在對比風(fēng)荷載作用和地震作用下的層間位移角時，發(fā)現(xiàn)后者普遍小于前者。這一現(xiàn)象說明在高層建筑設(shè)計時，風(fēng)荷載的影響更大，必須充分考慮風(fēng)荷載的影響，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

4.3" "剪重比

剪重比反映了結(jié)構(gòu)在受到重力荷載和水平剪切力作用時的相對剛度。如果剪重比設(shè)計不當(dāng)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在受到外力作用時發(fā)生破壞或倒塌。兩種剪力墻結(jié)構(gòu)布置方案剪重比對比如圖4所示。

從圖4中能夠得出，隨著樓層的增高，剪重比呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，最小剪重比位于最下層，且滿足規(guī)范中該地區(qū)高層建筑剪重比大于1.6%的要求，表明兩種方案的結(jié)構(gòu)安全性符合要求。對方案一進(jìn)行優(yōu)化后，在同一樓層下，地震剪力有一定程度的降低。這一變化是因為通過優(yōu)化減小剪力墻尺寸，有效降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度，提升了結(jié)構(gòu)的靈活性。

4.4" "經(jīng)濟(jì)性

在工程項目的成本構(gòu)成中，混凝土與鋼筋的用量占據(jù)材料費用的大部分，是成本控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。借助專業(yè)軟件，對兩種方案建筑工程量進(jìn)行初步統(tǒng)計，具體結(jié)果如表3所示。

從表3中能夠看出，與方案一相比，方案二的混凝土與鋼筋用量均有明顯減少。如果按照當(dāng)前市場4500元/t的HRB400鋼筋單價和350元/m3的泵送C30混凝土單價進(jìn)行計算，可知在鋼筋和混凝土方面，方案二分別減少9.69萬元和7.41萬元，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化在成本控制中的顯著效果。

5" "結(jié)束語

本文以某住宅項目為例，根據(jù)剪力墻布置原則，對原剪力墻布置方案進(jìn)行優(yōu)化，并計算兩種方案下建筑的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，主要得出以下結(jié)論：

兩種剪力墻布置方案下建筑結(jié)構(gòu)的周期比、層間位移角和位移比、剪重比均滿足規(guī)范要求，且方案二周期比、位移比和剪重比均小于方案一，最大層間位移角大于方案一，表明其在減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、提高整體穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形、分散和吸收地震能量方面展現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢。對比風(fēng)荷載作用和地震作用下的層間位移角時，發(fā)現(xiàn)后者普遍小于前者，表明本項目受風(fēng)荷載的影響更大。與方案一相比，方案二的混凝土與鋼筋成本分別減少9.69萬元和7.41萬元，表明方案二更加經(jīng)濟(jì)。

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