高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

喻廷平

(重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400015)

0 引言

剪力墻的優(yōu)點(diǎn)主要在于整體性強(qiáng)、用鋼量較小而且剛度大等，所以在高層建筑施工中得到了廣泛的運(yùn)用。特別是像旅館這一類房間多的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，墻體所采用的一般都為剪力墻結(jié)構(gòu)，這樣可以讓承重墻與分隔墻連為一體，從而使得其經(jīng)濟(jì)適用。另外，使用剪力墻結(jié)構(gòu)，不會(huì)有露柱與露梁的現(xiàn)象出現(xiàn)，保持了外形的美觀性，也拓寬了室內(nèi)空間。雖然從上面幾點(diǎn)來看，剪力墻具備較多的優(yōu)點(diǎn)，但是從其他方面考慮，也存在較多的問題:

1)由于高層建筑的剪力墻本身具有較大的抗側(cè)剛度，也就使得發(fā)生地震時(shí)，剪力墻會(huì)出現(xiàn)較大的反應(yīng)，所以在剪力墻的上部結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)當(dāng)中投入的資金都會(huì)相應(yīng)的增加;

2)墻體的澆筑主要是混凝土，使得其具有較大的重量，不僅會(huì)浪費(fèi)材料，地震反應(yīng)也較大;

3)在剪力墻的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，各個(gè)墻肢不具備較大的軸壓，使得各個(gè)墻肢雖然具有一定的承載能力，但是因?yàn)檩S壓的問題，不能夠正常的發(fā)揮出應(yīng)有的性能。因此，在設(shè)計(jì)當(dāng)中對于高層建筑的剪力墻，如果將缺點(diǎn)規(guī)避，發(fā)揮出剪力墻的優(yōu)點(diǎn)，最終達(dá)到降低工程施工造價(jià)，提高施工質(zhì)量，就成為設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)首先考慮的問題。隨著近幾年的一些成績，我們可以看出，高層建筑剪力墻的研究已經(jīng)引起了有關(guān)設(shè)計(jì)人員的足夠重視。

1 在剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件當(dāng)中對于含鋼量的控制

隨著社會(huì)大眾越來越高的建筑要求，在高層建筑當(dāng)中，剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)占據(jù)了相當(dāng)重要的地位。想要高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有較大的經(jīng)濟(jì)性，就需要從含鋼量入手，對于剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。所以，在對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求詳細(xì)的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析，從而確保在任何種情況下，能夠控制好最經(jīng)濟(jì)的含鋼量，并且也能夠滿足結(jié)構(gòu)的安全要求。從筆者多年的施工經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的累積來看，對于高層建筑物的剪力墻最為合適的含鋼量都有了一定的標(biāo)準(zhǔn)，對于設(shè)計(jì)也就起到了一定的建設(shè)性和指導(dǎo)性的意見。合適含鋼量統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 合適含鋼量統(tǒng)計(jì)表

2 選擇效率較高的剪力墻結(jié)構(gòu)方案

只有當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的施工安全得到了保障之后，才能夠在諸多的方案中進(jìn)行對比選擇，并且還應(yīng)考慮工程造價(jià)能夠在最低限度的情況下，選取適合此高層建筑的結(jié)構(gòu)形式。

在框支剪力墻的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)也是一個(gè)很好的選擇。在框支剪力墻的結(jié)構(gòu)中，為了盡量將上下層的剛度變化適度，可以采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)這一減少了剪力墻剛度的方式。例如使用加大下一層的剛度，其經(jīng)濟(jì)效益就較為明顯。

如果高層建筑物的層數(shù)大于18，最好還是選取普通剪力墻結(jié)構(gòu)。如果將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)運(yùn)用到層數(shù)過大的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致其剛度不達(dá)標(biāo)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性能也受到其影響。

3 在剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效措施

3.1 需要對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為注重

從高層建筑的要求來看，現(xiàn)代居民希望建筑物所擁有的功能多種多樣，考慮到現(xiàn)在大樓具有較強(qiáng)的綜合性能，尤其是在使用方面，上部與下部的機(jī)構(gòu)不同。因此，在選擇高層建筑物自身的結(jié)構(gòu)布置時(shí)，就需要考慮相應(yīng)的變化，在設(shè)計(jì)布置當(dāng)中，需要將轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)置好。我們需要重視剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，考慮到在高位轉(zhuǎn)換的底部大空間當(dāng)中，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。因?yàn)樵谶M(jìn)行高位轉(zhuǎn)換時(shí)，剛度和質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)換層升高，有效的將其本身與上下的剛度調(diào)整到接近的地步是非常必要的，而對于轉(zhuǎn)換層自身而言，其質(zhì)量與剛度都不適宜較大，在最終時(shí)，是否能夠確保轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角基本達(dá)到均勻的情況，就需要在水平作用力的作用之下，進(jìn)行空間精確分析，檢查其均勻情況。采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式時(shí)，在選擇上，偏向于重量與剛度皆偏小的材料，在實(shí)際的計(jì)算中，對于參與到了組合的振型數(shù)需要多多的進(jìn)行選擇。通過計(jì)算，我們能夠計(jì)算出在結(jié)構(gòu)當(dāng)中，哪一部分才是最薄弱的，然后再通過內(nèi)力分配特點(diǎn)的具體研究，改善薄弱部位的設(shè)計(jì)性能，適當(dāng)?shù)膶τ跇?gòu)件的配筋進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而達(dá)到改善薄弱部位性能的目的。

3.2 對于連梁設(shè)計(jì)的有效優(yōu)化

在設(shè)計(jì)連梁的抗震與非抗震的時(shí)候，在高跨比的分類之上，主要是有小于2.5和大于2.5兩種，并且對于截面配筋以及受剪承載力兩個(gè)方面都有了相應(yīng)的規(guī)范。而可以使用以下兩種方式針對塑性調(diào)幅:

1)在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算之前，就需要拆減連梁的剛度;

2)在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算之后，連梁的剪力與彎矩的組合值還需要乘上一個(gè)折減系數(shù)。

但是，我們應(yīng)當(dāng)明確的是，無論是選取了哪一種，都需要確定在實(shí)際使用階段當(dāng)中的剪力與彎矩的設(shè)計(jì)值，都要小于調(diào)整后的值。此外，在設(shè)計(jì)彎矩時(shí)，也必須大于設(shè)防烈度低一度的地震組合所得。從而對于正常使用情況之下，亦或是在小型的地震發(fā)生之后，對于裂縫進(jìn)行有效防止，最終達(dá)到確保高層建筑物的安全性能。

3.3 轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1)在轉(zhuǎn)換層的上下剛度的傳遞放縱，剪力墻布置存在的影響。

如果要能夠準(zhǔn)確的傳遞上下兩種不同結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)力，首先需要考慮到剛度突變，而對于轉(zhuǎn)換層上下的結(jié)構(gòu)可以通過兩種方式將剛度突變的問題加以解決:

a.將上部的剛度減少，也就是在上部當(dāng)中，能不設(shè)置剪力墻就盡量的避免設(shè)置，當(dāng)滿足了軸壓比時(shí)，確保墻肢盡可能的短;

b.將下部的剛度進(jìn)一步的加大，在建筑滿足了功能之下，再恰當(dāng)?shù)牟贾萌舾傻穆涞丶袅υ诖罂臻g層之內(nèi)，此外需要避免集中，將剪力墻均勻的分布于其中。

2)需要合理的選擇轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)剛度。

如果剪力墻轉(zhuǎn)換層剛度過大，不但會(huì)增大地震的反應(yīng)以及豎向剛度的提高，更會(huì)增加材料的使用量，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮是極為不合理的。如果剪力墻轉(zhuǎn)換層剛度過小，就可能出現(xiàn)沉降差，進(jìn)而使得明顯的次應(yīng)力在上部結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)(其水平結(jié)構(gòu)是與上部結(jié)構(gòu)相連接的)，從而增加了配筋量。而表現(xiàn)最為突出的就是在正交主次轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)中對于次梁的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)時(shí)候，不僅需要對于截面尺寸進(jìn)行合理的選擇，也需要考慮到剛度是否滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中的剪力墻結(jié)構(gòu)的使用，需要將結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較大以及外觀簡潔、美觀等方面的優(yōu)點(diǎn)充分的發(fā)揮出來，又能夠做到降低工程造價(jià)，這才是目前高層建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重視的前提。在文章中，筆者主要從選擇結(jié)構(gòu)、配筋的優(yōu)化等方面對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，希望能夠得到各位業(yè)界同行的點(diǎn)評與借鑒。

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