芻議優(yōu)化高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施

賴海輝

[摘要]文章分析了剪力墻的基本概念,介紹了剪力墻的分類和剪力墻設(shè)計(jì)的原則,提出了優(yōu)化高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施。

[關(guān)鍵詞]高層建筑 剪力墻 設(shè)計(jì)

2002新規(guī)范的頒布實(shí)施,使高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遇到了許多新的特殊的問題。本文僅就高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些常見問題的處理方法提出一些看法,僅供設(shè)計(jì)者參考。

一、剪力墻的基本概念

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱,能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力,并能有效控制結(jié)構(gòu)的水平力,這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在高層房屋中被大量運(yùn)用。剪力墻截面特點(diǎn)是墻肢長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度,自身平面內(nèi)具有很大的剛度和承載力,平面外剛度和承載力都相對(duì)較小,墻肢屬于偏心受壓或偏心受拉構(gòu)件。同時(shí)在剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻是一個(gè)平面構(gòu)件,它除了承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外,還承擔(dān)豎向壓力;在軸力、彎矩、剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作,其受水平力作用時(shí)似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除須滿足剛度強(qiáng)度要求外,還必須滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求。

二、剪力墻的分類

(一)整截面墻:剪力墻不開洞或洞口面積小于總面積的16%,且洞口長(zhǎng)邊尺寸均小于洞口凈距及洞口至墻邊的凈

距。受力性能類似整體的懸臂構(gòu)件,墻肢法向應(yīng)力呈線性分布,破壞形態(tài)似偏心受壓柱,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將豎向鋼筋分布在墻肢兩端。

(二)整體小開洞墻:當(dāng)剪力墻洞口上下對(duì)齊,成列布置,洞口稍大,形成明確的墻肢和連梁,墻肢和連梁剛度較均勻。受力性能也可按整體懸臂構(gòu)件考慮,并應(yīng)考慮墻肢的局部彎矩,水平荷載引起的整體彎矩的85%以上由墻肢軸力所產(chǎn)生的內(nèi)力矩來平衡,局部彎矩不超過整體彎矩的15%。

(三)聯(lián)肢墻:當(dāng)剪力墻的洞口沿豎向成列布置,洞口面積超過墻體總面積的16%,各墻體由連梁連接,墻肢單獨(dú)作用明顯,連梁中部出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

三、剪力墻設(shè)計(jì)的原則

剪力墻在設(shè)計(jì)中既要滿足位移限值的要求,又要充分發(fā)揮框剪結(jié)構(gòu)中各抗側(cè)力構(gòu)件的作用,做到安全、經(jīng)濟(jì)合理。剪力墻合理數(shù)量的確定原則是:在滿足規(guī)范規(guī)定的位移限值條件的前提下,剪力墻數(shù)量應(yīng)盡量減少,但應(yīng)滿足在基本振型地震作用下,剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%。同時(shí),規(guī)范規(guī)定框架部分承擔(dān)的剪力至少為底部總剪力的20%,或各層框架承擔(dān)的地震總剪力中最大值的1.5倍。

四、優(yōu)化高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施

(一)避免出現(xiàn)獨(dú)立小墻肢與剪力墻剛度不宜過大

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)中規(guī)定:“矩形截面獨(dú)立墻肢的截面高度不宜小于截面寬度的5倍?！币坏┏霈F(xiàn)上述情況,對(duì)墻肢軸壓比、配筋等都有嚴(yán)格的限制,設(shè)計(jì)施工都比較困難。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,獨(dú)立小墻肢基本上可以通過合并洞口等方法消除,或合理布置剪力墻,使小墻肢成為墻體翼緣,其受力狀態(tài)明顯好于獨(dú)立小墻肢,僅適當(dāng)加強(qiáng)配筋即可。同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的延性,細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻,從而可避免脆性的剪切破壞。

(二)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(duì)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)。通過計(jì)算仔細(xì)分析可能存在的薄弱部位,研究具體的內(nèi)力分配特點(diǎn),通過調(diào)整內(nèi)力和構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)改善薄弱部位的性能。

(三)優(yōu)化連梁設(shè)計(jì)

根據(jù)《高規(guī)》在連梁設(shè)計(jì)方面的規(guī)定,對(duì)于連梁非抗震及抗震設(shè)計(jì)時(shí)高跨比大于2.5及小于2.5兩種情況,在截面受剪承載力及配筋方面有不同規(guī)定。為此應(yīng)將連梁進(jìn)行塑性調(diào)幅,以降低剪力設(shè)計(jì)值。塑性調(diào)幅可采用兩種方法:(1)在內(nèi)力計(jì)算前將連梁剛度進(jìn)行折減;(2)在內(nèi)力計(jì)算之后,將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。無論采用何種方法,連梁調(diào)整后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于使用狀況的值,也不宜低于比設(shè)防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設(shè)計(jì)值,以避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁出現(xiàn)裂縫。同時(shí)要注重連梁的鉸接處理。

(四)底部加強(qiáng)部位的設(shè)計(jì)

在剪力墻設(shè)計(jì)時(shí),一般高層剪力墻結(jié)構(gòu),底部加強(qiáng)部位的高度可取嵌固部位以上墻肢總高度的1/8和底部?jī)蓪痈叨榷叩妮^大值;底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu),其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度可取框支層加上框支層以上2層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值。當(dāng)將地下室頂板視作嵌固部位,在地震作用下的屈服部位將發(fā)生在地上樓層,同時(shí)將影響到地下1層,此時(shí)地下1層的抗震等級(jí)不能降低,加強(qiáng)部位的范圍應(yīng)向下延伸到地下1層,并應(yīng)按規(guī)范要求在地下1層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

(五)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng),建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂;在地震作用下,高層剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主,底部外圍的小墻肢,截面面積小且承受較大的豎向荷載,破壞嚴(yán)重,尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重;在剪力墻結(jié)構(gòu)中,由于墻肢剛度相對(duì)減小,使連梁受剪破壞的可能性增加。因此,在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié),更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。例如,剪力墻在平面上分布要求均勻,使其鋼度中心和建筑物質(zhì)中心盡量接近,以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng);適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度(宜取250mm,對(duì)低部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm),加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋,嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6,以提高墻肢的承載力延性,高層結(jié)構(gòu)中連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低,對(duì)抗震不利,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算,保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;剪力墻宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié),連梁宜布置在各肢的平面內(nèi),避免采用“一”字形墻肢;剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求等。

五、結(jié)束語

總之,在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)具體工程的特點(diǎn),對(duì)其剪力墻的受力狀態(tài)進(jìn)行正確的計(jì)算分析,并結(jié)合其破壞形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)以滿足結(jié)構(gòu)的安全性。只有熟練地掌握規(guī)范,并具有良好的結(jié)構(gòu)概念,才能設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)秀作品。

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