關于剪力墻建筑結構設計的問題探討
2014-01-01 00:00:00蔡楚誼
基層建設 2014年3期
摘要：建筑工程和人們的生產生活有著密切聯(lián)系，而剪力墻結構作為當前高層建筑中的主要結構形式，被廣泛運用于現代高層建筑領域，特別是近年來得到了迅速的發(fā)展，剪力墻作為承受垂直和水平荷載的結構，在高層房屋建筑中，既要發(fā)揮它具有足夠的抗側能力，又要克服其工程費用較高的缺點。文章圍繞剪力墻結構的內容進行分析探討。
關鍵詞：剪力墻；建筑結構；設計；分析；
1.剪力墻結構概述
剪力墻結構，是一種剪力墻體，即其建筑墻肢的截面高度與其厚度的比值在5～8范圍內；亦是用鋼筋混凝土板代替昔日建筑物中承受水平和豎向方向荷載作用的墻體。剪力墻雖有側移小、防震能力大、抗側剛度大、承重力強、使室內墻面平整等優(yōu)點，在高層建筑中得到廣泛的使用，但是，高層建筑的墻體也不能完全只是用剪力墻，一方面是因為剪力墻造價高、施工程序復雜，另一方面則是過多的使用剪力墻會使建筑物的質量遭到損壞，從而影響建筑物的壽命。另外，在剪力墻結構設計過程中還要充分考慮其抗震能力，要準確把握好剪力墻墻體所承受的地震傾覆力矩與結構承受的地震力矩之間的比例關系。在剪力墻使用數量較少時，更要把這兩者之間的比例控制在一個合適的范圍內，通常會適當的減輕剪力墻墻體承受的傾覆力矩，同時把減輕的力矩控制在15～40范圍內。
剪力墻一般分為四類，其依據：剪力墻墻體是否開洞或者是開洞尺寸的大小。
1）實體墻。
實體墻是一種有開洞或者沒開洞的墻體結構，但若開洞則是開洞面積小于15%。此剪力墻主要為曲型變形，形象地說像一個整體的懸壁墻，在墻肢高度彎矩圖上，既不存在彎點也不會發(fā)生突變。
2）整體小開口的剪力墻。
這是指開洞面積在15%以內的墻體，其受力特點：雖會在連梁處發(fā)生突變，但墻體彎矩圖則不會產生彎點。
3）雙肢或多肢剪力墻。
即開洞面積過大或者墻體上的洞口呈列狀分布。與整體小開口墻的受力特點相似。
4）壁式框架剪力墻。
這是指墻體開洞尺寸較大，且其墻肢線上與墻體連梁線上的剛度接近。它的受力特點與其他剪力墻不一樣，它不僅彎矩圖會在樓層處發(fā)生突變，而且在建筑的大多數樓層內產生彎點。
2.剪力墻實例分析
根據某大型住宅小區(qū)33層純剪力墻結構住宅樓。總建筑面積約27143.4m2，建筑層高3.0m，室內外高差0.45m，建筑高度99.45m。為比較剪力墻布置方式對主體結構性能的影響，擬定兩個方案，方案一：剪力墻上開洞的大小按照建筑圖的洞口布置來建立模型，即飄窗處設高連梁（部分位置按照施工要求設置構造洞口，從而方便施工，如在兩個分戶單元山墻上開洞）；方案二：在方案一中墻肢很長剪力墻上開設尺寸較大的結構洞，如把一字形的截面改為L形或T形截面，將飄窗處的窗臺改為加氣混凝土砌塊。計算開始之前，應根據規(guī)范選取正確的參數設置正確的特殊構件，如振型組合數，最大地震力作用方向，結構基本周期，周期折減系數，連梁剛度折減系數，框架梁剛度放大系數，偶然偏心等的參數。規(guī)范用于控制結構整體性的主要指標常用：剛重比和位移比，以及剪重比與周期比、相鄰層間剛度突變等。通過幾項主要指標相比，分析出兩個方案不同的剪力墻平面布置方式對整體結構的受力性能的影響。
進一步研究了在不同設防烈度區(qū)，相同的剪力墻結構在地震作用下反應規(guī)律，分別計算在6度和8度區(qū)結構對地震的反應，隨著地震烈度的增大，剪力墻所受的地震作用也隨之增大，但高烈度地區(qū)的地震影響作用比低烈度地區(qū)的地震影響作用增大很多，因此在地震作用下位移和位移角也隨之變大。兩方案在6度區(qū)時整體主要技術指標均滿足規(guī)范要求，兩種方案的差別不大，都比較理想。但相對而言，方案二比方案一的技術指標更為合理。在8度這樣的高設防烈度地區(qū)時，方案一較方案二更容易滿足位移比的要求。
綜合以上兩方案設計分析對比，得出剪力墻的平面布置方法和開洞的方法對結構的整體受力性能和造價有較明顯的影響，其主要表現在以下三點：
1）動力特性方面。
結構的整體剛度較小時，方案的第一平動周期明顯變大，平動周期與扭轉周期之比變化不明顯。方案一中第一平動周期與第一扭轉周期值的比值均小于0.9。方案二通過在剪力墻上增大原有洞口或開設結構洞，使結構剛度變柔，從而增長了周期，說明結構布置更加合理。
2）結構受力方面。
方案二結構所受的剪力和基底彎矩都小于方案一。因此減小結構剛度，使結構周期變長，從而有效地減少了地震力。
3）結構變形方面。
兩方案中結構的位移變形指標均滿足規(guī)范中相應要求。在6度設防時，方案二的最大層間位移角比方案一有明顯改進。但最大變形均發(fā)生在荷載工況為風載作用時，說明6度區(qū)時高層建筑的層間位移主要由風荷載控制，設計時應將風荷載作為最首要影響因素考慮。隨著地震烈度的提高，結構所受的地震作用也隨之增大。地震作用超過風荷載作用從而成為主要影響因素。因此在8度區(qū)時方案一的層間位移比方案二更容易滿足規(guī)范的要求，且采用方案一時剪力墻的數量還可能進一步減少，以充分發(fā)揮建筑的空間性能的要求。
3.剪力墻結構設計中常見其他問題
剪力墻作為主要的水平抗震構件，它的平面剛度大，平面尺寸較小，在設計中容易滿足結構尤其是高層結構的側向位移限制和使用功能的要求，但隨著結構的水平剛度增大，剪力墻承受的地震水平力也隨之增大；經研究機構相關的實驗表明，在有橫向鋼筋約束的剪力墻結構中，可增強剪力墻的延性。通過合理的設置邊緣構件的配筋范圍、配箍量以及配筋形式可以做到相比不設置邊緣構件，整體結構的耗能能力可提高約20%，極限承載力可提高約40%。另外，轉角窗的設置會使得剪力墻的抗側力剛度、自振周期、地震作用以及結構的整體受力性能均有一定的削弱，同時，其外墻內力明顯增大；因此盡量避免設置轉角窗，如設置時應采取一定的加強措施，在實際工程設計中采取的措施有：1）將轉角窗處的樓板厚加為120mm，且雙層雙向配筋；2）轉角窗處從底到頂設置約束邊緣構件。開洞截面高度及連梁跨度的大小對結構的整體影響比較明顯，不容忽視，在工程實際設計中應根據具體情況，調整連梁的跨高比，使設計盡可能優(yōu)化，符合規(guī)范要求。
4.結論及建議
1）高層建筑結構應盡量選擇合理的結構體系，平面形狀上力求規(guī)則、對稱、避免凸凹不規(guī)則，滿足抗震規(guī)范的要求；縱向剛度盡量做到連續(xù)，避免層間豎向構件不連續(xù)，盡可能保證良好的抗震性能。2）通過兩方案結構受力情況的比較得出，兩方案均有比較好的剛度，在風荷載或者地震作用下不產生較大的水平位移，通過合理布置墻體，使結構受力更加安全、合理。3）當剪力墻結構剛度較大時，通過減少局部的一般剪力墻或開設結構洞等措施，可有效減小兩個方向的剛度，從而減少水平構件所受的地震力，達到安全性和經濟性的較好統(tǒng)一。
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