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

張文濤

(山西華鼎建筑設(shè)計(jì)有限公司，山西省 太原市 030032)

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

張文濤

(山西華鼎建筑設(shè)計(jì)有限公司，山西省 太原市 030032)

剪力墻也可以稱為抗風(fēng)墻、抗震墻或結(jié)構(gòu)墻，是房屋或構(gòu)筑物中主要承受風(fēng)載荷或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的墻體，能夠有效的防止結(jié)構(gòu)剪切破壞。在高層建筑中，剪力墻的作用更加重要，本文對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)及其概念設(shè)計(jì)的重要性進(jìn)行分析，在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

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

引言

隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，我國(guó)城市的發(fā)展方向除了在水平方向上不斷發(fā)展之外，也加強(qiáng)了在垂直高度上的發(fā)展，使得高層建筑得到了相應(yīng)的關(guān)注。為了保證高層建筑的結(jié)構(gòu)性能，有效的避免地震以風(fēng)力等方面的因素對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響，加上相關(guān)單位對(duì)高層建筑剪力墻的經(jīng)濟(jì)性方面的要求，需要對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)及其概念設(shè)計(jì)

關(guān)于高層建筑，總體上是指超過一定層數(shù)或高度的建筑就可以成為高層建筑。在我國(guó)，規(guī)定了30層左右接近100米的稱為高層建筑，而在新《高規(guī)》中將10層及10層以上的高度超過28米的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)稱為高層建筑結(jié)構(gòu)。

高層建筑是城市的生產(chǎn)和消費(fèi)發(fā)展到一定程度之后的必然產(chǎn)物，通過高層建筑首先能夠帶來一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，其次還能在建筑內(nèi)部的聯(lián)系、建筑用地、市政建設(shè)投資和建筑工期等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。雖然如此，但是高層建筑也存在一定的缺點(diǎn)，主要是在受到地震或者風(fēng)力等方面的影響之后對(duì)建筑本身的結(jié)構(gòu)有著更高的要求，需要在保證一定剛度的基礎(chǔ)上防止建筑物過度的震動(dòng)和發(fā)生水平方向上的位移，從而保證建筑物內(nèi)部的裝飾以及其他結(jié)構(gòu)等方面保持穩(wěn)定，使得建筑物內(nèi)部具有一個(gè)較為長(zhǎng)期的舒適的生活環(huán)境。

在受到地震帶來的垂直方向以及風(fēng)力帶來的水平方向的載荷時(shí)，低層建筑會(huì)產(chǎn)生較小的內(nèi)力和位移，對(duì)整體的結(jié)構(gòu)性能基本上沒有影響，但是對(duì)于高層建筑來說則會(huì)帶來很大的變數(shù)，使得高層建筑對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的要求更大。建筑物高度增加之后，在受到相同的力之后產(chǎn)生的位移會(huì)最快發(fā)生變化，然后彎矩也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。除了應(yīng)該保證高層建筑物結(jié)構(gòu)的承載能力之外，還應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)的水平方向上的剛度進(jìn)行要求，從而使得結(jié)構(gòu)在受到水平載荷之后發(fā)生承受范圍之內(nèi)的變形。

在建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻結(jié)構(gòu)很重要，主要是其能夠在水平和豎直方向上都具有一定的承受能力。在剪力墻結(jié)構(gòu)的整體上來說，其不但能夠通過較大的側(cè)向剛度來減小水平作用下的位移，還能通過剪力墻結(jié)構(gòu)本身的外形特點(diǎn)來增加建筑物內(nèi)部的布置。當(dāng)然剪力墻結(jié)構(gòu)也有一定的缺點(diǎn)，主要是在較大空間的房屋及結(jié)構(gòu)的延性兩個(gè)方面不是很完善。但是當(dāng)需要進(jìn)行較大內(nèi)部空間設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以通過部分框支剪力墻來充當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)的功能。

為了保證建筑物結(jié)構(gòu)在水平和垂直方向上的承受能力，在建設(shè)高層建筑的時(shí)候，會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間大小有著一定的要求，而對(duì)于較大空間的建筑需要在另外的建筑單元中進(jìn)行建設(shè)。對(duì)于矩形平面的剪力墻結(jié)構(gòu)，需要在縱橫兩個(gè)方向上進(jìn)行同時(shí)的設(shè)置；對(duì)于圓形平面的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)該在完成對(duì)從圓心出發(fā)的半徑及外環(huán)方向上的設(shè)置；而對(duì)于三角形平面的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)該沿著三個(gè)邊的方向來完成剪力墻的設(shè)置。

二、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的優(yōu)化

（一）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

首先，剪力墻設(shè)置方向上應(yīng)該盡量的沿著主軸的方向完成雙向的設(shè)置，其他方向也應(yīng)該如此，這樣能夠保證空間結(jié)構(gòu)的完整性；對(duì)于避震用的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)該盡量的防止出現(xiàn)剪力墻的單向布置，而在不同的受力方向上的抗側(cè)剛度的大小上也應(yīng)該盡量的相等，這樣能夠使得建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)工作性能的穩(wěn)定性得到相應(yīng)的保證。在保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度以及承載力上的條件之后，可以對(duì)剪力墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量的減小其結(jié)構(gòu)的重量，從而增加建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可操作空間。

其次，對(duì)于剪力墻墻肢的截面來說，應(yīng)該盡量保證其簡(jiǎn)單和規(guī)則。為了保證剪力墻結(jié)構(gòu)在豎向上的剛度及應(yīng)力的規(guī)則，需要保證剪力墻在門窗等位置上對(duì)齊的進(jìn)行布置，能夠使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單和安全。對(duì)于墻肢上剛度相差較大的洞口，需要將墻內(nèi)的鋼筋設(shè)置成一定的框架模式來應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)洞或者疊合錯(cuò)洞的情況。

對(duì)于出現(xiàn)的較長(zhǎng)的剪力墻，為了對(duì)齊結(jié)構(gòu)的剛性進(jìn)行保證，防止出現(xiàn)以為脆性出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)的剪切破壞，應(yīng)該在合適的位置開設(shè)洞口，保證分開的墻體的高度在截面長(zhǎng)度的兩倍之上，并且需要利用弱連梁進(jìn)行連接。

在剪力墻平面外的穩(wěn)定性方面，因?yàn)榧袅υ谄矫鎯?nèi)外上的剛度和承重能力上的不同，應(yīng)該通過設(shè)計(jì)平面外的彎矩來對(duì)剪力墻平面外的穩(wěn)定性進(jìn)行保證。當(dāng)出現(xiàn)剪力墻平面外的樓面與剪力墻墻肢的連接時(shí)，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺?duì)連接部分彎矩對(duì)墻的影響進(jìn)行控制。

總的來說，對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先應(yīng)該進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，保證不同方面各項(xiàng)指標(biāo)的前提下來對(duì)剪力墻的厚度進(jìn)行確定，另外，不同抗震等級(jí)軸壓比以及剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的要求也應(yīng)該進(jìn)行充分的考慮。

（二）剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行考察分析，比如在剪力墻結(jié)構(gòu)剛度適宜的情況下，應(yīng)該對(duì)規(guī)范規(guī)定的樓層最小剪力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算來保證樓層最大層間位移與層高之比的規(guī)范性；在對(duì)偶然偏心影響的地震作用下進(jìn)行分析之后，應(yīng)該對(duì)樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移進(jìn)行計(jì)算，保證A級(jí)高度高層建筑基本保持在樓層高度平均值的1.2倍之內(nèi)，當(dāng)超過1.2倍時(shí)，也絕對(duì)不能超過樓層高度平均值的1.5倍等等。

對(duì)于樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整，短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩應(yīng)該在結(jié)構(gòu)的總力矩的百分之四十以下，在此基礎(chǔ)上應(yīng)該合理的對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)合理的剪力墻設(shè)置方案，保證剪力墻側(cè)向剛度的合理性，在樓層最小剪力系數(shù)上也應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，通過這樣的設(shè)計(jì)能夠使得剪力墻結(jié)構(gòu)的自重降低，進(jìn)而對(duì)地震作用有著一定的抑制作用，同時(shí)還能節(jié)省一定的施工成本。

對(duì)于樓層最大層間最大位移與層高之比的調(diào)整，在進(jìn)行多地震作用的樓層的最大層間位移的計(jì)算時(shí)，要注意樓間彎曲變形，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)彎曲變形可以不進(jìn)行扣除。所以要保證高層建筑的扭轉(zhuǎn)變形控制在最小的范圍內(nèi)，在對(duì)層間位移進(jìn)行充分的分析之后在進(jìn)行豎向構(gòu)件剛度的改變。但是有的設(shè)計(jì)人員會(huì)通過增加某一方向上的側(cè)向剛度來保證該方向上的層間位移上的要求，但是這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使得結(jié)構(gòu)的剪重比難以控制。除此之外，還應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主和結(jié)構(gòu)平動(dòng)為主的第一自振周期之比以及連梁超限等方面進(jìn)行調(diào)整，從而更好的保證高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

結(jié)語

雖然我國(guó)頒布的相關(guān)規(guī)程規(guī)范對(duì)建筑物剪力墻的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一定的規(guī)范，但是內(nèi)容不夠具體。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)時(shí)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段有著很重要的作用，會(huì)對(duì)項(xiàng)目的施工質(zhì)量和施工成本有著一定的影響，但是在設(shè)計(jì)階段會(huì)因?yàn)轫?xiàng)目的復(fù)雜性，使得設(shè)計(jì)人員不能很好的在各個(gè)方面進(jìn)行最好的設(shè)計(jì)，所以存在一定的可優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。通過剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠保增加建筑項(xiàng)目施工的可行度，還能夠在能源方面做到節(jié)約。而通過剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的優(yōu)化能夠在計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上完成對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的最佳計(jì)算，從而能夠更好的保證結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而對(duì)施工成本、施工質(zhì)量和施工進(jìn)度等方面進(jìn)行很好的保障。

[1]劉劍. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J]. 技術(shù)與市場(chǎng),2011,05:50+52.

[2]陳耀. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析探討[J]. 福建建材,2011,04:36-37+39.

[3]王和平. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析探討[J]. 四川建材,2008,05:85-86.

[4]謝向鵬,李獻(xiàn)軍,高菊芳. 試析高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu),2013,24:175.

[5]吳昊天. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015,15:242.

[6]王麗群,譚金彪. 板式高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 門窗,2015,05:165.

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1007-6344（2015）10-0127-01