探析高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

向永強(qiáng)

【摘 要】 隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步以及城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，我國高層建筑施工建設(shè)取得了重大進(jìn)步?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)作為高層建筑結(jié)構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)，直接影響到高層建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量以及效益。尤其是近幾年，框架剪力墻結(jié)構(gòu)早已廣泛的運(yùn)用到現(xiàn)代高層商業(yè)、辦公以及住宅建筑的設(shè)計(jì)當(dāng)中。新時(shí)期新背景下加強(qiáng)對于高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文旨在研究高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，針對出現(xiàn)的問題提出相應(yīng)的解決策略，為我國高層建筑施工企業(yè)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步開展提供一些可行性的思路。

【關(guān)鍵詞】 高層建筑；框架剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；策略探析

在高層框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻是主要抗側(cè)力構(gòu)件，幾乎承擔(dān)了80%的水平地震作用，剪力墻剛度的大小將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的數(shù)量，除了必須滿足強(qiáng)度條件外，還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度，以免在地震作用下產(chǎn)生過大的側(cè)向變形。剪力墻配置過少，會(huì)因結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形而無法滿足安全要求；剪力墻配置太多，又減少了結(jié)構(gòu)自振周期，地震作用效應(yīng)增大。所以，確定剪力墻數(shù)量是關(guān)系結(jié)構(gòu)安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)最為關(guān)鍵的問題。本文主要研究高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，為我國高層建筑施工企業(yè)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步開展提供借鑒。

一、 剪力墻的分類及受力特點(diǎn)

剪力墻根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，例如剪力墻開洞口大小、數(shù)量以及位置等，可以分為壁式框架、整體小開口墻、整截面墻、獨(dú)立懸臂墻以及聯(lián)肢墻等這五大類型。對于這五種類型的判斷，理論上可以通過墻肢與組合截面慣性矩比、剪力墻整體系數(shù)以及脂墻系數(shù)等來判斷，剪力墻整體系數(shù)是墻肢以及連梁的抗彎線剛度值，它的物理意義表現(xiàn)為，數(shù)值越小，梁越弱肢越強(qiáng)，數(shù)值越大，梁越強(qiáng)肢越弱。一般來講，梁越強(qiáng)肢越弱的狀況剪力墻的整體性能也就越好，連梁與墻肢的彎矩也就越大。對于梁越弱肢越強(qiáng)這類現(xiàn)象，還可以細(xì)分為兩種情況。一種是墻肢強(qiáng)，但是梁要比肢更強(qiáng)，另一種是墻肢弱梁要比肢還要強(qiáng)，這才是真正的弱肢強(qiáng)梁。因此，在對剪力墻進(jìn)行分類時(shí)，應(yīng)該按照截面慣性矩比以及肢強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行判斷。用數(shù)據(jù)來表示，當(dāng)剪力墻整體系數(shù)大于10，截面慣性矩比小于脂墻系數(shù)時(shí)，大體上可以判定為整截面墻；當(dāng)剪力墻整體系數(shù)大于10，剪力墻整體系數(shù)大于脂墻系數(shù)時(shí)，一般認(rèn)定為壁式框架；當(dāng)滿足截面慣性矩比小于脂墻系數(shù)，剪力墻整體系數(shù)小于10時(shí)，則可以判定為聯(lián)肢墻；但是，當(dāng)剪力墻整體系數(shù)小于1時(shí)，基本上可以斷定為獨(dú)臂墻。這幾種剪力墻他們的受力特點(diǎn)是不同的。

總體上來講，整體小開口墻以及整截面墻的整體性能較好，它們的受力性在一定程度上有些相似，例如它們的變形曲線都是彎曲型，它們的區(qū)別也是很明顯的，主要區(qū)別在于整截面墻它的墻面不開洞，不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，彎矩一般不會(huì)出現(xiàn)突變。整體小開口墻以及整截面墻對于墻肢的約束力很強(qiáng)，都屬于那種脂墻梁更強(qiáng)的情況。例如，以L型對稱剪力墻為例分析，L型對稱剪力墻墻長1800mm，墻厚220mm，翼緣寬為420mm，16層，連梁凈垮為1.3m，當(dāng)梁的高度擴(kuò)大到1200mm時(shí)，才可以基本滿足剪力墻整體系數(shù)為10的要求。從這一系列的數(shù)據(jù)中我們可以看出，整體小開口墻以及整截面墻確實(shí)屬于肢強(qiáng)梁更強(qiáng)的類型。

二、 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻設(shè)計(jì)

1、剪力墻布置

剪力墻的布置是有著一定的基本原則的，一般是周邊、對稱、分散以及均勻。首先，周邊的原則。周邊的原則指的是剪力墻設(shè)計(jì)以及布置應(yīng)該充分考慮建筑物抵抗扭曲的能力，這樣可以進(jìn)一步保證平面中心以及剛度中心相吻合。例如，剪力墻布置在周邊對稱的位置，可以在不增加剪力墻面積的基礎(chǔ)上增強(qiáng)剪力墻抗扭曲的能力，增強(qiáng)抗扭曲的內(nèi)力臂。其次，分散原則。分散原則主要指的是剪力墻在進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)該注意剪力墻的墻片數(shù)不應(yīng)該過少，而且要努力保證剪力墻的剛度，連續(xù)尺寸方面也不要太長，這樣可以使得剪力墻分散一些，抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量多一些。這樣，可以防止由于一片剪力墻局面破壞而導(dǎo)致剪力墻的整體抗扭曲力。同時(shí)，分散原則也有助于避免剪力墻受力過于集中，避免由于剪力墻負(fù)擔(dān)過重而導(dǎo)致早期地面遭到破壞，對于剪力墻的整體發(fā)展極為不利。

2、確定剪力墻厚度

剪力墻厚度同樣也是剪力墻設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的關(guān)鍵問題。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻最好有約束構(gòu)建，也即是邊框梁以及邊框柱。剪力墻厚度都是有一定的規(guī)格的，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一二級剪力墻底部厚度應(yīng)該在220mm之上，而且一般要大于層高的十六分之一。對于其他情況，一二級剪力墻底部厚度不應(yīng)該小于層高的二十分之一。同時(shí)，剪力墻厚度確定時(shí)，應(yīng)該注意邊框梁的寬度應(yīng)該同剪力墻的厚度相一致，高度方面可以使墻厚的3倍。所以，要想獲得科學(xué)合理的剪力墻厚度，應(yīng)該充分的考慮結(jié)構(gòu)安全以及經(jīng)濟(jì)合理等方面的要求。綜合考慮到各種各因素，剪力墻的厚度應(yīng)該在滿足樓層高度二十分之一以及十六分之一的前提下，取值200mm最為合適。

3、確定剪力墻數(shù)量

剪力墻數(shù)量同樣也是剪力墻設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的關(guān)鍵問題，一般來講，剪力墻數(shù)量主要是由許可位移決定的。按照高層建筑中一般裝修的要求，框架剪力墻結(jié)構(gòu)高應(yīng)該是頂點(diǎn)位移的700倍，對于裝修要求較高的，框架剪力墻結(jié)構(gòu)高應(yīng)該控制在頂點(diǎn)位移的850倍之內(nèi)，在滿足這些數(shù)據(jù)的前提下，進(jìn)而進(jìn)行增減剪力墻數(shù)量。同時(shí)，剪力墻數(shù)量還應(yīng)該滿足結(jié)構(gòu)自振周期的要求。結(jié)構(gòu)自振周期的合理范圍計(jì)算方法如下：T1=（0.09-0.12）Ns。其中，Ns則指的是樓層的高度。為此，在進(jìn)行剪力墻數(shù)量確定時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)自振周期的合理范圍計(jì)算方法進(jìn)行。如果剪力墻數(shù)量多，框架剪力墻結(jié)構(gòu)剛度就可以大一些，材料耗量也大一些，地震時(shí)周期短地震力度也應(yīng)該加大些。據(jù)有關(guān)調(diào)查表明，當(dāng)每m2樓面剪力強(qiáng)度小于50mm時(shí)，地震危害也就越大；在50mm-150mm之間，地震危害為中等水平；在150mm以上的話，地震危害則最輕。我國在每m2樓面剪力強(qiáng)度值取值方面還沒有形成成熟的經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行剪力墻數(shù)量確定時(shí)，我國的做法往往是根據(jù)建筑物的高度、工程具體情況、地區(qū)設(shè)防烈度以及其他參考系數(shù)進(jìn)行。這中剪力墻數(shù)量確定方式盡管存在著一些問題，但是由于我國在這方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，剪力墻數(shù)量確定也是極為可取的。

總結(jié)

綜上所述，在進(jìn)行高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，力爭均勻?qū)ΨQ，結(jié)構(gòu)豎向布置則必須做到結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化均勻。在此前提下，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的合理截面尺寸，選擇合適的計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析，這樣才能得到可靠、合理計(jì)算結(jié)果，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。我國高層建筑施工企業(yè)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是在實(shí)際的框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多問題仍然存在。為此，深入研究高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，為我國高層建筑施工企業(yè)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步發(fā)展，有著重要的意義。

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