高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與探究

四川凱來工程設(shè)計有限責任公司 四川省成都市 61000

摘要：隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進，高層住宅的建設(shè)數(shù)量與日俱增，剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層住宅中最主要的結(jié)構(gòu)形式，在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，對其進行優(yōu)化設(shè)計非常重要。本文將對剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計從結(jié)構(gòu)概念角度及計算指標層面進行分析與探究。

關(guān)鍵詞：剪力墻結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)布置；結(jié)構(gòu)設(shè)計；比值

引言

成熟的計算軟件基本解放了設(shè)計人員的繁重計算任務(wù)，然而過度地依賴軟件和長期的固有經(jīng)驗有時又會影響設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)的科學(xué)性作出正確把握，這就要求我們必須明晰結(jié)構(gòu)設(shè)計基本概念方能有效進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)概述

利用建筑物墻體作為承受豎向荷載和抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)叫做剪力墻結(jié)構(gòu)。整體而言，這種結(jié)構(gòu)整體性好、側(cè)向剛度大、水平荷載作用下側(cè)向變形相對較??；缺點是墻體間距小，平面布置不太靈活，結(jié)構(gòu)自重比較大，這種結(jié)構(gòu)不宜用在對大空間有強烈要求的公共建筑上。然而這種以彎曲型側(cè)向變形為主的結(jié)構(gòu)對滿足小空間的高層住宅及酒店有著非常好的優(yōu)勢。

2高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)布置的原則

合理布置剪力墻對于結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要性。眾所周知，在剪力墻平面布置中，應(yīng)盡可能地使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和其剛度中心接近或重疊，這樣對減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有著顯著的作用，因此勢必要求剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置上要盡可能簡單、對稱、規(guī)則、且兩個方向的抗側(cè)剛度相接近。同時為了保證豎向抗側(cè)剛度及承載力不會發(fā)生較大突變，豎向抗側(cè)力構(gòu)件同樣要求規(guī)則、均勻、連續(xù)且質(zhì)量沿高度亦應(yīng)均勻分布。

2.2特殊墻肢的使用

結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要注意特殊墻肢的使用，如短肢墻，一字墻，異形柱等，對于高層剪力墻結(jié)構(gòu)，由于特殊墻肢使用數(shù)量過多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度差，一旦發(fā)生地震，結(jié)構(gòu)剛度退化迅速，變形嚴重，地震防御能力將嚴重喪失。同時，短肢墻、異形柱此類構(gòu)件在承受荷載較大時，軸壓比控制不當，容易造成過早壓壞引起樓板坍塌危險；特別是一字短肢墻，不僅具有短肢墻的缺點，同時還存在穩(wěn)定性差的特點，這些特殊墻肢在結(jié)構(gòu)布置時一定要盡量少用，最好不用。

2.3構(gòu)造措施的運用

構(gòu)造措施對于提高結(jié)構(gòu)延性至關(guān)重要。軸壓比的控制，邊緣構(gòu)件的設(shè)置等都可以大大增加結(jié)構(gòu)的塑形變形能力，是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)底部預(yù)期破壞模式的重要保證。在邊緣構(gòu)件設(shè)置中，要注意過渡邊緣構(gòu)件的合理設(shè)計，過渡邊緣構(gòu)件的靈活設(shè)置是抗震概念設(shè)計和性能化設(shè)計的重要內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往被忽視。過渡邊緣構(gòu)件的體積配箍率特征值規(guī)范尚未給出明確規(guī)定，設(shè)計時可參考約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件體積配箍率特征值之和的平均值采用，即可?。é薞+0.1）/2進行計算。對于構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的縱筋配置應(yīng)按承載力計算和構(gòu)造要求二者中的較大值設(shè)置，對于計算配筋者，切忌盲目按構(gòu)造配置，否則容易造成剪力墻的截面脆性破壞。

2.4加強部位的選取

高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的最重要概念之一結(jié)構(gòu)嵌固端選取，合理選取嵌固端是結(jié)構(gòu)力學(xué)計算前提條件。嵌固端理論上是一個端面，它是約束結(jié)構(gòu)所有位移和轉(zhuǎn)角的特殊部位，即在該處，所有結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)角均為零，然而實際工程中這樣的理論位置并不存在，工程中我們假設(shè)的嵌固部位是這樣一個區(qū)域——結(jié)構(gòu)預(yù)期塑性鉸出現(xiàn)的部位，換言之，在塑性鉸可能出現(xiàn)的部位我們通過人為加強其構(gòu)造，從而保證結(jié)構(gòu)破壞具有足夠的延性，不致結(jié)構(gòu)直接倒塌，這是設(shè)置底部加強部位的終極目的。

設(shè)置底部加強部分固然重要，但考慮到經(jīng)濟性，通常取地下室頂板作為結(jié)構(gòu)嵌固部位，這在實際工程設(shè)計中意義重大。首先，無論結(jié)構(gòu)在該處是否具有嵌固條件，該位置的嵌固作用或大或小均是客觀存在的，進行多位置嵌固包絡(luò)設(shè)計又會大大增加結(jié)構(gòu)設(shè)計工作量。其次，規(guī)范明確規(guī)定約束邊緣構(gòu)件設(shè)置范圍下至嵌固端，下移嵌固端時約束邊緣構(gòu)件設(shè)置范圍隨之增大，進而經(jīng)濟成本隨之增加，特別是多層地下室結(jié)構(gòu)，當嵌固端移至基礎(chǔ)頂面時經(jīng)濟成本增加尤為明顯，這是不可取的。

2.5各計算指標的把控

本小節(jié)著重對工程設(shè)計中的一些重要計算指標進行分析，并給出其優(yōu)化設(shè)計的建議。

（1）軸壓比：柱（墻）軸壓力設(shè)計值與柱（墻）的全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值乘積之比。它是影響墻柱抗震性能的主要因素之一，規(guī)范通過限制軸壓比保證柱墻具有良好的延性和耗能能力。比值超限時，可以通過增大該墻、柱截面或提高該墻、柱混凝土強度從而降低該數(shù)值；當比值接近限值時，對于柱子可以通過構(gòu)造措施提高其延性進而放大其限值。

（2）剛度比：結(jié)構(gòu)不同樓層的側(cè)向剛度的比值。該值主要為了控制結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。對于地下室結(jié)構(gòu)頂板能否作為嵌固端，轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)剛度能否滿足要求以及薄弱層的判斷，均以該比值作為依據(jù)。當比值不滿足時，通常可適當降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度，適當提高上部相關(guān)樓層的層高和削弱上部相關(guān)樓層墻、柱或梁的剛度以實現(xiàn)剛度合理分布。

（3）周期比：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比值。該值主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。比值不滿足時，說明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大?？偟恼{(diào)整原則是加強結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度。特別是對于設(shè)置轉(zhuǎn)角窗的結(jié)構(gòu)，加強角部梁截面對于抵抗扭轉(zhuǎn)非常有利。

（4）剪重比：即最小地震剪力系數(shù)λ。該比值主要是控制各樓層地震剪力，尤其是對于基本周期大于3S的結(jié)構(gòu)，以及存在薄弱層的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該比值的大小判斷結(jié)構(gòu)布置是否合理，大致可做如下判斷：a）當?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g位移角偏大時，說明結(jié)構(gòu)過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度；b）當?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g位移角偏小時，說明結(jié)構(gòu)過剛，宜適當減小墻、柱截面，降低剛度；c）當?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g位移角又恰當時，可通過放大地震作用以滿足剪重比要求。

（5）位移比：即樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與平均水平位移的比值；層間位移比即樓層豎向構(gòu)件的最大層間位移角與平均層間位移角的比值。該比值的控制主要是為了保證結(jié)構(gòu)具有必要的剛度，合理的結(jié)構(gòu)平面布置，避免扭轉(zhuǎn)過大對結(jié)構(gòu)抗震不利。當該比值不滿足時，通常加強最大位移點處或附近的抗側(cè)構(gòu)件剛度是最直接有效的辦法。

（6）剛重比：結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與重力荷載設(shè)計值之比。它是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)，且重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線關(guān)系增加。高層建筑在風荷載或水平地震作用下，若重力二階效應(yīng)過大則會引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，控制好結(jié)構(gòu)的剛重比可以避免結(jié)構(gòu)在風載或地震力的作用下整體失穩(wěn)。該比值不滿足時，只能通過人為改變結(jié)構(gòu)布置，加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

（7）層間抗剪承載力之比：顧名思義，為相鄰上下兩層或若干層的抗剪承載力之比。該比值是結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性的直接反應(yīng)，合理的比值是防止出現(xiàn)豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層的有力保障。該比值不滿足時，可適當提高本層構(gòu)件強度（如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面）以提高本層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力，或適當降低上部相關(guān)樓層墻、柱等抗側(cè)力構(gòu)件的承載力。

結(jié)束語

高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計目的不僅僅為了降低工程造價，更要是保證結(jié)構(gòu)安全可靠，同時兼顧處理好建筑各功能要求，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的實際意義。

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