高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析

王艷軍

剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大,整體性好,用鋼量較省,在高層住宅、旅館等居住性建筑中,居室和客房均為小間,分隔墻較多,采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),可以將承重墻與分隔墻合二為一,相對(duì)來(lái)說(shuō)比較經(jīng)濟(jì)。另外,室內(nèi)較框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,沒(méi)有露梁、露柱現(xiàn)象,外形美觀,便于室內(nèi)布置。因此,在高層住宅、旅館中常采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。將剪力墻結(jié)構(gòu)運(yùn)用到高層住宅、旅館中,除具有以上優(yōu)點(diǎn)外,還有一些缺點(diǎn):1)剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大,會(huì)引起較大的地震反應(yīng),使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用增加;2)由于混凝土墻體較多,使得建筑物重量增加,這也同樣引起較大的地震反應(yīng),造成浪費(fèi);3)剪力墻結(jié)構(gòu)中各墻肢軸壓比往往較低,使得各墻肢的承載能力得不到充分發(fā)揮;4)剪力墻結(jié)構(gòu)中墻體多為構(gòu)造配筋,配筋率較低,使得結(jié)構(gòu)延性較差。在高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,怎樣既發(fā)揮它具有足夠的抗側(cè)能力等優(yōu)點(diǎn),又改進(jìn)其工程費(fèi)用較高的缺點(diǎn)成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因此,近年來(lái)工程界對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置給予了更多的關(guān)注,而且也取得了一定的進(jìn)展。目前,《高規(guī)》對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)選型,尤其是合理布置,尚未做出一個(gè)明確的具體的規(guī)定。因此,結(jié)合實(shí)際的工程背景,對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置進(jìn)行研究很有必要。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)含鋼量

隨著我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的高度越來(lái)越高,高層建筑結(jié)構(gòu)采用剪力墻形式已經(jīng)不是新鮮事務(wù)。經(jīng)過(guò)我國(guó)多年的設(shè)計(jì)及成功的施工經(jīng)驗(yàn)累計(jì),對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件適宜的含鋼量已經(jīng)有了一些數(shù)據(jù)上的統(tǒng)計(jì),該經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)如表1所示。依據(jù)這些含鋼量的指標(biāo)可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性起到一定的指導(dǎo)作用。

表1 含鋼量經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)表

對(duì)各種不同結(jié)構(gòu)體系的用鋼量的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 單位面積鋼筋量 kg/m2

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的適宜方案

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案有多種選擇,選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式,不僅能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性,而且能大幅度的降低工程造價(jià)。在設(shè)計(jì)方案及初步設(shè)計(jì)階段正確地選擇建筑的結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)件的截面及采用的材料,對(duì)整個(gè)建筑的經(jīng)濟(jì)性影響是相當(dāng)大的。選擇較為合適的結(jié)構(gòu)體系,可以在方案階段總體控制成本。同時(shí)由于上部使用功能的差別,構(gòu)件截面類型也會(huì)有差異,從而導(dǎo)致成本差異。因此必須在方案設(shè)計(jì)階段確定適宜的結(jié)構(gòu)形式。

層數(shù)較小(比如20層以下)的高層住宅,可采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。20層以下的高層住宅采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),各墻肢軸壓比計(jì)算值往往較小,墻體配筋為構(gòu)造配筋,墻體承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái),工程費(fèi)用較高,這時(shí)若采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu),以上不足之處就可以得到解決。在7度區(qū),20層以下的高層住宅采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、周期、水平地震剪力一般可控制在合理的范圍內(nèi)。采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu),由于合理地將一部分鋼筋混凝土墻置換成磚墻或其他砌體,使得結(jié)構(gòu)自重減輕,將偏大的結(jié)構(gòu)剛度降下來(lái),結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減少,工程費(fèi)用降低,還增加了結(jié)構(gòu)的延性,使結(jié)構(gòu)的抗震性能提高。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)中,上部剪力墻結(jié)構(gòu)可采用短肢剪力墻體系。在框支剪力墻結(jié)構(gòu)中,為了減少上下層的剛度比,不采用加大下層剛度的方法,而采用減少上部剪力墻體系的剛度即改用短肢剪力墻體系,經(jīng)濟(jì)效果就十分明顯了。

層數(shù)較多的高層住宅,最好采用傳統(tǒng)的全現(xiàn)澆剪力墻體系。在層數(shù)較多的高層建筑中,如采用短肢剪力墻體系,就使結(jié)構(gòu)較柔,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移就不一定能滿足規(guī)范要求,底部剪力系數(shù)也偏低,結(jié)構(gòu)趨于不安全。但是,在有些情況下若采用傳統(tǒng)剪力墻體系,結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算值還稍偏大時(shí),可將較大的墻肢開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)洞,或?qū)⒋芭_(tái)改為磚或其他砌體等措施加以微調(diào)。

2 工程實(shí)例的分析

本工程位于我國(guó)南方某市,住宅小區(qū)總建筑面積達(dá)10.8萬(wàn)m2,與本工程類似的住宅樓達(dá)10多棟。如果通過(guò)對(duì)一棟樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析,找到其中可優(yōu)化改進(jìn)的地方,就可使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到部分的優(yōu)化、提高建筑產(chǎn)品的性價(jià)比、降低單件造價(jià)和整個(gè)小區(qū)的工程造價(jià)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的住宅樓為地下2層,地上16層,標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖1所示?？偨ㄖ娣e約2萬(wàn)m2。地下2層為車(chē)庫(kù)和物業(yè)辦公用房,層高均為3.6 m,首層商業(yè)層高3.4 m,2層及2層以上層為住宅,層高為 2.8 m。建筑類別為丙類。Ⅱ類場(chǎng)地,土質(zhì)不均勻。

剪力墻及墻厚根據(jù)規(guī)范及工程層數(shù)、層高情況取值如下:1層及地下層250 mm(地下層外墻厚300 mm),2層及2層以上外墻200 mm,內(nèi)墻180 mm。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中剪重比較大結(jié)構(gòu)整體布置有繼續(xù)優(yōu)化的可能。從節(jié)省造價(jià)角度考慮,暗柱、連梁等處構(gòu)件根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)按構(gòu)造要求配筋(包括局部按計(jì)算配筋的),其中墻體分布筋基本與規(guī)范最小配筋及其他構(gòu)造要求相吻合。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不只是抽鋼筋。一棟建筑方案產(chǎn)生后,結(jié)構(gòu)的選型和布置就存在優(yōu)化與否的問(wèn)題。但是,任何建筑體型都可能有最規(guī)則的和最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)布置方案。所以,真正的優(yōu)化應(yīng)是全過(guò)程的需要各專業(yè)的密切配合。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的計(jì)算指標(biāo)如表3所示,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表4所示。

表3 優(yōu)化后的計(jì)算指標(biāo)

表4 優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,怎樣既能讓這種體系剛度大,外觀簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來(lái),又能克服其工程費(fèi)高等缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文就其優(yōu)化設(shè)計(jì)作了一點(diǎn)簡(jiǎn)單探討,在以后的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)不斷總結(jié),以期更好地掌握這種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方法。

[1] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 李國(guó)勝.高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.