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

林小楊

中元（廈門）工程設(shè)計(jì)研究院有限公司（361000）

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

林小楊

中元（廈門）工程設(shè)計(jì)研究院有限公司（361000）

通過結(jié)合某高層建筑住宅工程實(shí)例，主要分析在符合各項(xiàng)技術(shù)要求的條件下如何進(jìn)行高層建筑剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

高層剪力墻;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；工程剪力墻

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的土地越來越緊張，城市的高層和超高層建筑成為未來住宅建筑的主流。剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，在水平荷載下側(cè)向變形小，同時(shí)能滿足建筑功能布局要求。該體系越來越廣泛的運(yùn)用于各種建筑中，這里對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足安全、經(jīng)濟(jì)、合理的要求。

1 工程概況

某高層住宅樓共37層，底層層高3.6 m,標(biāo)準(zhǔn)層層高3.0 m,建筑總高度為111.6 m，建筑面積為14 800 m2。采用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場地類別為II類，場地的特征周期Tg=0.40 s。因主體建筑高度大于100 m,故計(jì)算采用場地安評報(bào)告結(jié)果，調(diào)整為水平地震影響系數(shù)amax=0.13,設(shè)計(jì)特征周期Tg=0.45 s。建筑剪力墻抗震等級為二級，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限為50年。場地基本風(fēng)壓0.8 kN/m2，地面粗糙為B類，風(fēng)荷載體系系數(shù)為1.4。

2 高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算原則

2.1 多使用一般剪力墻

在優(yōu)化高層剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，要盡可能使用普通剪力墻，降低短肢剪力墻和小墻肢的數(shù)量，設(shè)計(jì)中應(yīng)體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)豎向和水平向具有合理的剛度及承載力的分布，盡可能的保證一肢剪力墻的墻肢截面高度比規(guī)范要求的8倍墻厚稍大,符合一般剪力墻,剪力墻盡量根據(jù)建筑平面使用功能要求布置成“L”型、“T”型剪力墻，有利于剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠形成較好的側(cè)向剛度。

2.2 剪力墻的數(shù)量和剛度要合理

剪力墻是抗震設(shè)防的第一道防線，剪力墻剛度的大小是整個(gè)建筑物整體抗震的關(guān)鍵，適宜的剛度能保證在地震來臨時(shí)，保持整體穩(wěn)定性，抵抗地震水平力作用，避免過大的水平位移和振動(dòng)。因此，我們應(yīng)該控制結(jié)構(gòu)的剪重比,盡量減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置為目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)有適宜的側(cè)向剛度,使樓層的最小剪力系數(shù)接近或不小于規(guī)范值。這樣能減輕結(jié)構(gòu)自重,有效減少地震作用的輸入，同時(shí)降低工程造價(jià)。若剪重比已經(jīng)較大，不宜一味的增加一側(cè)的豎向剛度去滿足層間位移要求，也要學(xué)會(huì)減小對應(yīng)一側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度。地震作用減小，同樣可以達(dá)到較好的效果。

2.3 對墻肢長度的差異性進(jìn)行控制

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，應(yīng)避免單向布置剪力墻，并宜使兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度接近，剛度分布均勻，以使其具有較好的整體協(xié)調(diào)受力能力。在建筑布置方案時(shí)介入，要盡可能保證墻肢長度的一致性，避免過長或過短剪力墻，采用均勻分布的小片墻肢，同時(shí)墻肢應(yīng)盡量對齊，使傳力途徑簡潔明了，受力均勻分布，從而使地震作用被剪力墻平均分配。

2.4 對剪力墻的開洞進(jìn)行的處理

在高層住宅的剪力墻結(jié)構(gòu)中，除了根據(jù)建筑功能設(shè)置門窗洞外,還需要根據(jù)實(shí)際的方案和結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)洞進(jìn)行調(diào)整。剪力墻整片不宜做太長，應(yīng)進(jìn)行開洞采用弱連梁進(jìn)行連接,太長剪力墻剛度太大，吸收地震力大，若此墻體損壞了，對整體抗震性能影響太大，破壞力大。應(yīng)分散布置墻體，保證各片剪力墻可以均勻分配地震作用,同時(shí)控制各墻肢軸壓比，使各墻肢軸壓比在豎向荷載作用下盡量靠近相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級軸壓比限值，通過調(diào)整洞口的大小和連梁的高度來調(diào)整連梁配筋量，避免出現(xiàn)連梁超筋導(dǎo)致配筋困難。

3 實(shí)際工程剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

3.1 布置結(jié)構(gòu)的具體方案

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要先進(jìn)行一些必要的試算、對比，才能在實(shí)際的工作中更好地進(jìn)行優(yōu)化，按照國家各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求來考慮這樣的結(jié)構(gòu)是否合理，同時(shí)提高自己的設(shè)計(jì)水平，減少不必要的設(shè)計(jì)浪費(fèi)，滿足開發(fā)商的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求。原標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置平面如圖1，墻肢除底層墻厚為300 mm，其余底部加強(qiáng)區(qū)墻厚為250 mm，以上為200 mm。經(jīng)過試算發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)偏剛，剪力墻數(shù)量偏多，且部分建筑功能使用不太合理，例如南面建筑底層為大堂層，開間越大越美觀。故對整體結(jié)構(gòu)的布置及墻肢進(jìn)行了調(diào)整，如圖2。

圖1 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)平面布置

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的指標(biāo)對比分析

本工程使用PKPM系列軟件的SATWE計(jì)算，分析了兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對主體結(jié)構(gòu)的位移比、剪重比、周期比、位移角、含鋼量及混凝土量進(jìn)行對比，見表1。

從表1結(jié)果可以看出，優(yōu)化前方案的整體剛度較大，層間位移角偏小,由于剪力墻在下側(cè)布置較密集，結(jié)構(gòu)整體剛心偏下，形成扭轉(zhuǎn)。優(yōu)化后方案結(jié)構(gòu)主軸X、Y向動(dòng)力性能相近，平面抗扭剛度較好，且盡量將外側(cè)的墻肢加長，取消內(nèi)部小短肢，對上下對齊剪力墻肢進(jìn)行加強(qiáng)，使整體剛度更加均勻，受力更合理。對整體剛度位移角和扭轉(zhuǎn)起很大控制作用，且主要控制參數(shù)均滿足規(guī)范相關(guān)要求。同時(shí)在造價(jià)方面,含鋼量及混凝土的用量都有較大地減少，節(jié)約建筑成本，更加經(jīng)濟(jì)合理。

表1 優(yōu)化前、后兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對比

4 結(jié)語

在建筑設(shè)計(jì)過程中，在考慮建筑使用功能布局更加美觀合理的條件下，結(jié)構(gòu)剪力墻應(yīng)盡量布置在建筑外圍，提高整體的抗側(cè)剛度；取消內(nèi)部零星短肢墻，使結(jié)構(gòu)傳力途徑更簡潔、明確、合理，并有效地節(jié)省了投資成本，具有更大市場競爭力。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004,9.

[3]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].