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

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摘要：在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)分布更均勻、設(shè)計(jì)更合理是十分重要的課題。本文以某高層建筑設(shè)計(jì)為例，采取有效的方法來(lái)控制剪力墻結(jié)構(gòu)的鋼含量，闡述了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析的策略，為人們提供這方面的參考經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，建筑行業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑的施工質(zhì)量問題越來(lái)越引起了人們的重視。其中，剪力墻結(jié)構(gòu)體系剛度大，整體性好，抵抗側(cè)向變形能力強(qiáng)，抗震性能較好，在我國(guó)高層住宅、賓館等居住性建筑中廣泛使用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是在保證建筑安全、技術(shù)可行、配合并促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)的前提下，以最經(jīng)濟(jì)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑的預(yù)期效果。然而，國(guó)內(nèi)不少設(shè)計(jì)單位人員繁忙、成本意識(shí)和各專業(yè)配合意識(shí)相對(duì)薄弱，大都做不到精細(xì)設(shè)計(jì)，使建筑結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間與余地。

1.工程概況

某高層住宅辦公樓，地上為30 層公寓住宅，地下為兩層地下車庫(kù)，建筑總高度為95.8m，建筑長(zhǎng)寬比為3.6，高寬比為2.7。該建筑經(jīng)過論證最終采用剪力墻結(jié)構(gòu)類型，由剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)直接承受建筑物的水平以及豎向荷載。由于剪力墻結(jié)構(gòu)其墻體全部由鋼筋混凝土所構(gòu)成，因此其自身平面內(nèi)具有較大的抗側(cè)剛度，能夠有效地抵抗較大的水平側(cè)向力。在水平荷載作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)將主要產(chǎn)生彎曲型的變形。以下將結(jié)合該項(xiàng)目來(lái)進(jìn)一步探討剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其技術(shù)要點(diǎn)。

2.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)布置技巧

合理地剪力墻布置將決定剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算計(jì)算結(jié)果是否能滿足規(guī)范要求，而且將決定著結(jié)構(gòu)是否為最優(yōu)結(jié)構(gòu)體系，這一切又決定著結(jié)構(gòu)的整體經(jīng)濟(jì)效益。

（1）對(duì)于一般剪力墻布置來(lái)說，其應(yīng)當(dāng)主要沿主軸方向布置，而針對(duì)巨型、L 形、T 形等建筑平面，則可采用沿兩個(gè)軸線方向布置。在布置剪力墻時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)只有單向有墻的情況，對(duì)內(nèi)外剪力墻采取拉通對(duì)直設(shè)置。

（2）對(duì)于剪力墻的布置并不是剪力墻越多越好，合理地布置剪力墻數(shù)目是關(guān)鍵，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與剛度中心的重合，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。這就要合理充分掌握剪力墻布置間距來(lái)體現(xiàn)。剪力墻布置間距適中將有助于發(fā)揮剪力墻抗側(cè)力構(gòu)件作用，而且還可以合理地增大結(jié)構(gòu)的利用空間。對(duì)于剪力墻布置間距過少，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度過大，造成結(jié)構(gòu)的不經(jīng)濟(jì)性。

（3）對(duì)于剪力墻上難以避免的洞口，鑒于洞口大小、位置以及數(shù)量對(duì)高層建筑剪力墻的受力影響很大，因此對(duì)于剪力墻上的門窗洞口布置應(yīng)當(dāng)上下對(duì)齊，明確墻肢和連梁的位置，且剛度相差不大，應(yīng)避免三個(gè)以上的洞口集中于同一個(gè)十字交叉墻附近。另外，由于剪力墻中的連梁剛度較弱，不宜將樓面主梁支承載在連梁上。對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說，本項(xiàng)目建筑用途為住宅公寓，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)地震分組為一組，建筑場(chǎng)地類別為二類，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，基本風(fēng)壓（50 年一遇）為0.65kN/㎡，地面粗糙度為A 類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，主樓地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。該建筑體型對(duì)住宅平面布置有利，對(duì)底部公共建筑設(shè)施也易于布置，經(jīng)反復(fù)分析和試算，最終確定采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

剪力墻作為一種具有較大剛度、整體性好、抗側(cè)力好的結(jié)構(gòu)類型，從工程實(shí)踐表明，對(duì)于不合理的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)造成結(jié)構(gòu)成本的增加以及結(jié)構(gòu)的不安全性。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者提出剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）對(duì)于地震效果較大的情況下，單純地提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，這將造成基礎(chǔ)以及剪力墻結(jié)構(gòu)的成本增加。

（2）應(yīng)合理布置剪力墻數(shù)量，過多的剪力墻數(shù)量將增加結(jié)構(gòu)主體重量同時(shí)造成工程浪費(fèi)。

（3）嚴(yán)格按照規(guī)范要求來(lái)進(jìn)行剪力墻的構(gòu)造配筋，配筋率的過低將會(huì)造成剪力墻結(jié)構(gòu)延性較差。

（4）合理設(shè)計(jì)剪力墻的墻長(zhǎng)及其墻厚，避免出現(xiàn)墻肢承載力得不到有效發(fā)揮。綜上所述，對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面要保證結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度，同時(shí)還需兼顧結(jié)構(gòu)成本的優(yōu)化。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)

對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說，不僅僅應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果要求，同時(shí)還應(yīng)滿足規(guī)范的構(gòu)造要求，構(gòu)造要求對(duì)于保證剪力墻結(jié)構(gòu)的延性等具有重要意義。本高層結(jié)構(gòu)在構(gòu)造設(shè)計(jì)上，根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取如下措施：

（1）除注明者外，剪力墻墻體水平鋼筋放在外側(cè)；墻體鋼筋網(wǎng)之間設(shè)直徑8@600x600 拉筋；剪力墻墻體水平鋼筋不得代替暗柱箍筋的設(shè)置。當(dāng)墻或墻的一個(gè)墻肢全長(zhǎng)按暗柱設(shè)計(jì)時(shí)，則此墻或墻肢不再設(shè)墻體水平筋，配置暗柱箍筋即可。

（2）連梁應(yīng)沿整個(gè)梁高設(shè)置側(cè)面縱筋（腰筋）；除特殊標(biāo)注外，連梁腰筋按墻體水平筋拉通。

（3）樓板內(nèi)設(shè)備預(yù)埋管上方無(wú)板上部鋼筋時(shí)，沿預(yù)埋管走向設(shè)置板面附加鋼筋網(wǎng)帶，鋼筋網(wǎng)帶取直徑6@150x200，最外排預(yù)埋鋼管中心至鋼絲網(wǎng)帶邊緣水平距離150。

（4）當(dāng)電梯基坑未落在結(jié)構(gòu)底板（或基礎(chǔ)）上，且基坑板下未設(shè)置實(shí)心柱墩延伸到結(jié)構(gòu)底板（或基礎(chǔ)）時(shí)，基坑厚度應(yīng)不小于250mm；對(duì)于落地導(dǎo)軌，其每處支撐點(diǎn)各設(shè)置300x300x250（厚）的C30 鋼筋混凝土墊塊，罩面鋼筋網(wǎng)直徑12@100x100 且往下彎折至基坑板頂面。

（5）梁上部縱向鋼筋水平方向的凈距，不應(yīng)小于30 和1.5d（d 為較大鋼筋直徑）；下部縱向鋼筋水平方向的凈距不應(yīng)小于25 和d。下部縱向鋼筋多于兩層時(shí)，兩層以上鋼筋的水平中距比下面兩層的中距離增大一倍。各層鋼筋之間的豎向凈間距取25 和d 之中的較大值。

（6）當(dāng)上部墻柱伸入地面與土體接觸、或其中一段墻柱臨水時(shí)，無(wú)論其外表面是否設(shè)置了建筑防水層，墻柱迎水面、接觸土體面的縱筋保護(hù)層應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度增加30（墻）、20（柱）。

3.剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對(duì)本工程剪力墻結(jié)構(gòu)通過采取SATWE 有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移進(jìn)行分析，模型采用的設(shè)計(jì)主要荷載取值見表1 所示。

表1 樓、地面活荷載以及主要設(shè)備控制荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/㎡）

對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中跨高比較大的與柱墻相接梁以及某些連梁，該梁的重力作用效應(yīng)比水平風(fēng)或水平地震作用效應(yīng)更加明顯，此時(shí)需考慮梁剛度的折減，以控制正常使用時(shí)梁裂紋的發(fā)生和發(fā)展。另外，高層建筑樓層的側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰點(diǎn)層側(cè)向剛度平均值的80%。經(jīng)過采取一系列的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，本結(jié)構(gòu)各項(xiàng)結(jié)果均應(yīng)在正常范圍之內(nèi)，既滿足規(guī)范要求，又符合以下三點(diǎn)規(guī)律：

（1）柱、剪力墻的軸力設(shè)計(jì)值均為壓力。

（2）柱、剪力墻基本為構(gòu)造配筋。

（3）梁基本無(wú)超筋，剪力墻、連梁均滿足界面抗剪扭的要求。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑中的主要形式之一，在高層住宅建筑中應(yīng)用廣泛。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主旨是發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)剛度大、美觀等特點(diǎn)，且又能解決高建筑成本等問題。所以，掌握好剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，把握好剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)更加安全、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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