高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

余功栓

【摘要】本文主要分析了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計對優(yōu)化設(shè)計的重要性，并著重介紹了剪力墻結(jié)構(gòu)的特點及結(jié)構(gòu)布置原則，并對剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算分析中應(yīng)注意的問題進行了探討。高層建筑是社會生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物，是現(xiàn)代化、商業(yè)化、工業(yè)化和城市化的必然結(jié)果。它反應(yīng)了一個國家的建筑科技、經(jīng)濟發(fā)展水平。

【關(guān)鍵詞】高層建筑 剪力墻 結(jié)構(gòu)

一、引言

隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，以及城市人口密度的持續(xù)增長，高層建筑正逐漸成為城市建筑的發(fā)展趨勢，也是城市現(xiàn)代化的象征。為了滿足高層建筑的抗震性和經(jīng)濟性，對剪力墻結(jié)構(gòu)的研究具有重要的理論和實踐意義。對同一建筑而言，不同的結(jié)構(gòu)墻體布置，其經(jīng)濟指標(biāo)差異很大，主要是混凝土用量和含鋼量的差距很大。

二、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計

一幢高層建筑猶如一根豎直放置于嵌固于地基的開孔、帶橫肋的巨型空間構(gòu)架式的“懸臂梁”。它不僅要承受“梁”內(nèi)所有重力荷載的作用并保持穩(wěn)定，而且要承受風(fēng)荷載、地震等水平荷載的作用并保持一定的剛度，避免過大的水平位移和振動，保證“梁”內(nèi)各種建筑裝飾、填充墻等不受損壞，以提供“梁”內(nèi)工作生活的人們有一個舒適的環(huán)境。

高層建筑結(jié)構(gòu)同時承受垂直和水平荷載，還要抵抗地震作用，在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，通常可以忽略；而在高層建筑中，水平荷載和地震作用將成為控制因素。隨著建筑高度增加，位移增加最快，彎矩次之。因此高層建筑設(shè)計不僅要有較大的承載能力，而且需要較大的抗側(cè)剛度，以保證水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形控制在一定范圍內(nèi)。

剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下側(cè)向變形的特征為彎曲型。剪力墻結(jié)構(gòu)承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點是整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置。缺點是不能提供大空間房屋，結(jié)構(gòu)延性較差。

當(dāng)?shù)叵率一蛳虏恳粚印讓?，需要大空間時（如商場、停車庫等）即形成部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)的過渡層必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層。剪力墻結(jié)構(gòu)由于承受豎向力、水平力的能力均較大，橫向剛度大，因此可以建造比框架結(jié)構(gòu)更高、更多層數(shù)的建筑。但是只能以小房間為主的房屋，如住宅、賓館、單身公寓。而賓館中需要大空間的門廳、餐廳、商場等往往設(shè)置在另外的建筑單元中。為了適用任何方向的水平力（或地震作用），因此對于矩形平面，剪力墻在縱橫雙向均應(yīng)設(shè)置；對于圓形平面，剪力墻應(yīng)沿徑向及環(huán)向設(shè)置；三角形平面，宜沿三個主軸方向設(shè)置剪力墻。

三、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算的優(yōu)化

1、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的優(yōu)化

（1）在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向布置剪力墻，并宜使兩個受力方向的抗側(cè)剛度接近，以使其具有較好的空間工作性能。剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使其結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。

（2）剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用的計算簡圖較為符合，設(shè)計結(jié)果安全可靠。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置，當(dāng)剪力墻的洞口布置出現(xiàn)錯洞、疊合錯洞時，墻內(nèi)配筋應(yīng)構(gòu)成“框架”形式。

（3）較長的剪力墻宜開設(shè)洞口，將其分成長度較均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2，以避免剪力墻產(chǎn)生脆性的剪切破壞。抗震設(shè)計時，應(yīng)盡量避免在洞口與墻邊或在兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。當(dāng)小墻肢截面的高度小于墻厚的4倍時，應(yīng)按框架柱設(shè)計，箍筋按框架柱加密區(qū)要求全高加密。

（4）剪力墻的特點是平面內(nèi)剛度及承重力大，而平面外剛度及承載力都相對很小，應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩，保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性。當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應(yīng)采取足夠的措施減少梁端部彎矩對墻的不利影響。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)計算方面的優(yōu)化

在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理，如剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度不宜過大，在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，以規(guī)范規(guī)定的樓層最小剪力系數(shù)為目標(biāo)，使計算結(jié)果無限接近規(guī)范值；控制好結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9；在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。剪力墻連梁是否超限；剪力墻的軸壓比是否滿足規(guī)范要求。

（1）樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則。在滿足樓層最小剪力系數(shù)的前提下，盡可能減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置方案為目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度 ，使樓層最小剪力系數(shù)接近（不小于）規(guī)范限值。這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重，有效減小地震作用的輸入，同時降低工程造價。

（2）樓層最大層間最大位移與層高之比的調(diào)整原則。規(guī)范規(guī)定在計算多地震作用的樓層最大層間位移時，以樓間彎曲變形為主，計入扭轉(zhuǎn)變形，可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形。因此，對于高層建筑應(yīng)盡可能扭轉(zhuǎn)變形最小，但又不能僅根據(jù)這些層間位移不夠不加分析地增加豎向構(gòu)件的剛度。在實際工程設(shè)計中，有些設(shè)計人員一看到某一方向?qū)娱g位移不能滿足規(guī)范要求，就不斷地增加該項的側(cè)向剛度。此舉雖然可以解決問題，但應(yīng)該注意此時結(jié)構(gòu)的剪重比：若與規(guī)范限制接近則可行；若剪重比已經(jīng)較大，則不應(yīng)一味地增加，也要學(xué)會減小對應(yīng)一側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度，使其剪重比減小。

（3）結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1 之比（周期比）的調(diào)整原則。震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心、抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在震中破壞嚴(yán)重。在設(shè)計時，要保證結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱：首先要限制結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的計算應(yīng)考慮偶然偏心的影響；其次是限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，具體表現(xiàn)在Tt/T1指標(biāo)上。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)將結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件盡可能沿周邊布置，以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和抗扭剛度。若在結(jié)構(gòu)的形心附近加大豎向構(gòu)件剛度，則只是對側(cè)向剛度的貢獻大，對抗扭剛度來說，貢獻甚微。

（4）連梁超限的調(diào)整原則?！陡咭?guī)》規(guī)定剪力墻長度不宜大于8m，當(dāng)大于8m時，宜采用弱連梁將其分開同時還規(guī)定跨高比不小5的連梁宜按框架梁進行設(shè)計；有地震作用組合時，對于高跨比大于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)將連梁進行塑性調(diào)幅，以降低剪力設(shè)計值。塑性調(diào)幅可采用兩種方法：①在內(nèi)力計算前將連梁剛度進行折減；②在內(nèi)力計算之后，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。

四、結(jié)論

目前，隨著高層建筑的逐漸發(fā)展和人們對住宅使用功能要求的逐步提高，由于剪力墻結(jié)構(gòu)可以靈活布置，可落地也可帶轉(zhuǎn)換層，房間內(nèi)不會出現(xiàn)露梁露柱的現(xiàn)象，且剪力墻的抗震性能也優(yōu)于異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計中根據(jù)其受力的特點，充分掌握和了解其受力特點和破壞機理后，并選擇合理的布置形式，正確掌握計算分析方法，它將在多、高層的住宅中有著廣闊的發(fā)展前景。