高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

郭鐵功

（克孜勒蘇柯爾克孜自治州第一建筑安裝工程有限責(zé)任公司 845350）

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

郭鐵功

（克孜勒蘇柯爾克孜自治州第一建筑安裝工程有限責(zé)任公司 845350）

在高層建筑施工中，剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和相關(guān)設(shè)計人員的實踐經(jīng)驗關(guān)系密切。設(shè)計人員基于結(jié)構(gòu)安全或者計劃進(jìn)度的原因，通常會以較為保守的結(jié)構(gòu)布置作為設(shè)計結(jié)構(gòu)。本文主要從高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)方案選擇、設(shè)計中應(yīng)注意的問題、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化計算四個方面探討高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以期為我國的高層建筑發(fā)展提供有益建議。

高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

由于建筑業(yè)的迅速發(fā)展，房地產(chǎn)和工廠建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，而土地資源的緊張對建筑工程技術(shù)的要求也更高了，建筑住宅的發(fā)展也更加注重向高層擴(kuò)張。高層建筑的特殊性使得相關(guān)的技術(shù)要求也更高了，而這要求做好高層住宅混泥土剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)方案選擇

高層建筑剪力墻設(shè)計的方案是多種多樣的，在保證建筑高層結(jié)構(gòu)安全的情況下，需要思考如何有效減少工程造價，選擇科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式，特別是在剛開始設(shè)計方案的時候，一定要考慮好選擇怎樣的結(jié)構(gòu)體系，對構(gòu)件截面尺寸、建筑材料都應(yīng)該有清楚的把握，這對工程造價有很大的影響。[1]只有科學(xué)選擇結(jié)構(gòu)體系，才能整體上控制好成本。必須要按照建筑物上部結(jié)構(gòu)的不同使用功能，選擇對于類型的構(gòu)件截面，以節(jié)約建筑材料。在層數(shù)比較少的高層建筑中，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系是一種不錯的選擇。層數(shù)不高于20層的建筑要是利用過去那種現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，因為每個墻肢的實際軸壓小于計算值，墻體通常也是構(gòu)造配筋，這樣一來就讓墻體難以很好地發(fā)揮其承載作用。運用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，這能夠較好克服上述問題。在7度區(qū)，20層以下的高層建筑運用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠有效控制結(jié)構(gòu)定點的位移、周期、水平地震剪力等。科學(xué)運用短肢墻，可以把一磚墻作為些混泥土墻，讓墻體自重減輕，結(jié)構(gòu)剛度也降低，所以不會有太高的地震反應(yīng)，既節(jié)約工程費用，又強化了結(jié)構(gòu)延性，增強了結(jié)構(gòu)的抗震性。有的高層建筑結(jié)構(gòu)是框支剪力墻，上部結(jié)構(gòu)同樣能夠使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。為了讓上下層的剛度變化不過大，框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻剛度可以合理降低，明顯好過加大上下層剛度的方式，且有著不錯的經(jīng)濟(jì)效益。如果高層建筑層數(shù)高于20層，那么還是運用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)為宜。建筑層數(shù)太多的結(jié)構(gòu)中，如果還是運用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，就會造成結(jié)構(gòu)剛度欠缺，頂點位移、層間位移值或許會和規(guī)范的要求不符，結(jié)構(gòu)底部剪力系數(shù)也比較低，最終讓結(jié)構(gòu)缺乏合理的安全性。不過，有時傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)也會有著較大的剛度，此時應(yīng)在墻肢上開孔，也可以把窗臺變成磚砌結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計中需注意的問題

設(shè)計高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的時候，需要注意以下七個問題：

（1）利用計算機(jī)輔助軟件進(jìn)行設(shè)計，要按照實際情況對軟件中模型與各類參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，盡量使設(shè)計方案體現(xiàn)出工程的實際情況，設(shè)計中的計算結(jié)果一定要盡量接近實際模型。清楚參數(shù)的實際作用，以科學(xué)設(shè)置不同參數(shù)。有的短肢墻整體性系數(shù)比較大，要努力減小強度系數(shù)，在水平反復(fù)荷載中結(jié)構(gòu)才會有較強的耗能能力。

（2）工程設(shè)計切記不要對計算機(jī)的計算結(jié)果過于依賴，也不要由于某部分計算結(jié)果存在些許誤差就不信任計算軟件，唯有邊實踐邊了解軟件特點，才能在實際工作中減少誤差，最終設(shè)計出來的方案才安全而合理。

（3）高層建筑的墻、梁等構(gòu)件的特點就是可以隨意偏心布置，注意軸線和節(jié)點不要太近，提高計算精度。要是節(jié)點距離太近，就容易讓后面的計算出現(xiàn)問題，并且構(gòu)件偏心布置過程中不要偏心過大，特別是避免跨節(jié)點或者軸線。

（4）SAT-WE程序中，因為存在不同抗震登記，墻的內(nèi)力放大系數(shù)都屬于隱含值，不過對于設(shè)計人員來說，對這類系數(shù)的取值一定要了解。

（5）對連梁與墻肢強度應(yīng)有效確定，墻肢應(yīng)該在連梁之后屈服。同框架結(jié)構(gòu)相似，強制剪力墻設(shè)計需要符合墻肢弱梁、強剪繼彎原則。

（6）科學(xué)分析、判斷軟件計算的結(jié)構(gòu)。

（7）設(shè)計短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該注意概念設(shè)計，讓房屋額每項指標(biāo)都符合抗震規(guī)范和高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程要求。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)主軸方向雙向或者多向布置，各個方向的剪力墻應(yīng)該聯(lián)結(jié)好，通過拉通、對直使之變成工形、L型、T形之類的有翼緣的墻，形成空間結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)計中，要想使之有良好的空間性能，剪力墻不要單向設(shè)計，兩個受力方向的抗側(cè)剛度應(yīng)該接近，剪力墻肢截面最好是簡單而規(guī)則的。要想利用好剪力墻結(jié)構(gòu)的能力，設(shè)計中就需要讓墻體結(jié)構(gòu)的自量減輕、空間面積變大、剪力墻承載力與抗側(cè)剛度提高、另外，剪力墻布置不宜過于密集，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度應(yīng)該合適，要是側(cè)向剛度太大，既會增大自重，又會增大地震力。剪力墻墻段應(yīng)該符合墻體規(guī)則、簡單的要求，豎向剛度應(yīng)均衡，門窗孔洞布置應(yīng)整齊，上下對齊，使剪力墻肢、連梁更明確，剪力墻肢與連梁的應(yīng)力需規(guī)則而均勻分布，而且要和當(dāng)下的設(shè)計計算簡圖相符。[2]剪力墻墻肢的孔洞剛度差異不能太大。要是剪力墻比較常，那么就要使其均勻變成多個墻體，開挖孔洞，不同剪力墻間的鏈接部分使用弱連梁鏈接。但是，在抗震設(shè)計中，最好不要開挖孔洞，兩個孔洞間形成墻體肢截面高度、厚度之比不能大于4的小墻肢。如果墻的厚度超過小墻肢截面的1/4，就應(yīng)該以框架柱設(shè)計要求對箍筋全高加密。如果講理去結(jié)構(gòu)平面中剛度、承重力比較大，但是平面外剛度、承載力較小，那么就需要對剪力墻水平外的彎矩進(jìn)行控制，以確保剪力墻平面外的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大小會因為剪力墻的設(shè)置而不同，為了不讓剛度出現(xiàn)變化，要從上往下連續(xù)布置。要讓墻體剛度不出現(xiàn)突變，則應(yīng)沿著其高度將墻體的厚度合理減少，混凝土強度亦是如此，也可以減少墻肢，從而讓墻體側(cè)向剛度能夠因為高度降低而慢慢減少。[3]與此同時，要是剪力墻沿高度沒有連續(xù)，那么剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度會沿著高度出現(xiàn)突變情況。在設(shè)計剪力墻時，必須要明確剪力墻厚度，這就要求一定要符合抗震等級、軸壓比、層間位移、周期比以及位移比等構(gòu)造要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算

設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)該按照《高規(guī)》或《抗震設(shè)計規(guī)范》等建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定，科學(xué)布置結(jié)構(gòu)，例如設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，其剛度要避免太大，而且需要符合層樓最大層間位移和層高之比的要求，對樓層最小剪力系數(shù)進(jìn)行確定，以便于計算出來的數(shù)值和規(guī)范設(shè)定值無限接近。對于高層建筑結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)剛度為中心的第一自振周期Tt和以平動為中心的自振周期T1間的比值應(yīng)該合理控制，其A級不要超過0.9。如果將偶然偏心對地震作用的影響進(jìn)行考慮，樓層間位移與樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移應(yīng)該小于這個樓層平均值的6.4，同樣也不應(yīng)超過該樓層平均值的3.2。[4]還有就是剪力墻的規(guī)定限制范圍、剪力墻底部加強區(qū)的軸壓比應(yīng)該被仔細(xì)檢查，以確定它們和設(shè)計規(guī)范要求是不是符合的。

4.1 樓層最小建立系數(shù)調(diào)整原則

短肢剪力墻承載力需要符合一定的條件，那就是地震傾覆力矩的第一振動模式在低于40%的條件下，設(shè)置的剪力墻數(shù)量不要太多，剪力墻布局應(yīng)該以空間較大作為目標(biāo)，讓結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度剛好合適，盡量降低樓層的最小建立系數(shù)，讓它和規(guī)格限制較為接近，這樣才會讓重量變得更輕，地震作用的輸入不會過大，節(jié)約工程造價。

4.2 層高與樓層最大位移比調(diào)整原則

必須以我國當(dāng)前的高層建筑設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)，設(shè)計高層建筑時能減少扭曲變形則盡量減少，若要增加熟悉構(gòu)件剛度，則應(yīng)該全面考慮，而不是只把層間位移考慮在內(nèi)。在工程的實際設(shè)計中，部分設(shè)計人員一旦發(fā)現(xiàn)層間位移比和設(shè)計要求不相符，就盲目增加構(gòu)件側(cè)向剛度，可是卻沒有認(rèn)真思考此時結(jié)構(gòu)剪重比要是和規(guī)范限制數(shù)值比較接近就是可行的，反之則不能。如果剪重比太大，那么相關(guān)側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度則需減少，降低其地震作用力，這樣做所帶來的效果也是比較理想的。

4.3 結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和抗扭剛度的調(diào)整原則

結(jié)構(gòu)平面一定要有規(guī)則性，要使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不會過大，建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)計算過程中一定要把偶然片心里對結(jié)構(gòu)的影響考慮進(jìn)去。

4.4 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)自震與平動自震周期比調(diào)整原則

從當(dāng)下地震中很多受損的房屋的研究來看，如果高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計平面抗扭曲力不強、平面缺乏規(guī)則性等問題將導(dǎo)致建筑嚴(yán)重受損。因此，設(shè)計的過程中抗扭曲能力是建筑必須具備的，而且建筑結(jié)構(gòu)的平面盡量要規(guī)則。設(shè)計實際過程時，在建筑四周布置結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，這樣做的目的就是要讓結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度更高，而且使結(jié)構(gòu)抗扭剛度也一樣提高。如果在結(jié)構(gòu)形心附近將豎向構(gòu)件剛度增大，那么對側(cè)向剛度有較大貢獻(xiàn)，但是卻無法給結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度提供更多貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

總的來說，設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻結(jié)構(gòu)之時，應(yīng)該全面考慮怎樣讓抗側(cè)剛度更大、外觀更簡潔，利用好優(yōu)點就能夠讓工程造價有效降低，對于建筑設(shè)計人員來說這應(yīng)該是需要認(rèn)真思考的問題。

[1]郭兆偉.高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的技術(shù)要點分析[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2011（1）：35.

[2]薛運飛，馬曉霞.談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題[J].陜西建筑，2008 （06）：71.

[3]陳耀.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析探討[J].福建建材，2011（07）：175.

[4]葛勇.對高層建筑框架剪力墻設(shè)計的探討[J].建材與裝飾（中旬刊），2008（05）：87.

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1673-0038（2015）37-0059-02

2015-8-26