高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

何冀明

廣東省肇慶市建筑設(shè)計(jì)室 廣東肇慶 526000

摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑中的主要結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)整體性好，能有效抵抗水平地震作用、風(fēng)荷載等的作用，因此被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代高層建筑領(lǐng)域。因此對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化分析顯然十分必要。本文結(jié)合工程實(shí)例，探討了高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以期為高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；抗震；轉(zhuǎn)換梁；轉(zhuǎn)換柱

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平也越來(lái)越高，高層建筑行業(yè)也逐漸成為城市建設(shè)事業(yè)中不可或缺的一部分。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠有效的防止樓體受地震等災(zāi)害的影響，有助于加強(qiáng)建筑物的抗震能力、整體性以及側(cè)向剛度，對(duì)建筑事業(yè)的發(fā)展起到了很大的作用在這種背景之下，如何在滿足住宅使用功能的前提下做到結(jié)構(gòu)安全、適用、經(jīng)濟(jì)已成為廣大結(jié)構(gòu)工程師不懈努力的方向?；诖?，筆者對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行研究與探討。

1 工程概況

某高層住宅工程，主體結(jié)構(gòu)高度98.79m，地下2層，地上1～2層作為商鋪使用，3～32層為住宅，其中3層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。抗震設(shè)防烈度為6度第一組，基本地震加速度為0.05g，場(chǎng)地類別Ⅱ類，根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010（以下簡(jiǎn)稱高規(guī)）3.9.9條及10.6.5條相關(guān)條文規(guī)定，底部加強(qiáng)部位（本工程為地下1～4層）剪力墻及柱抗震等級(jí)為二級(jí)，1～5層框架梁及連梁抗震等級(jí)為二級(jí)，其余部分框架及剪力墻抗震等級(jí)均為三級(jí)。本工程采用梁式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層平面布置如圖1所示：

圖1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

本工程采用SATWE進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用PKPM軟件中框支剪力墻有限元分析程序FEQ進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。具體以圖1中KZZ1、KZZ2、KZL1舉例說(shuō)明。

2.1 轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱的截面取值

（1）根據(jù)高規(guī)10.2.8條，轉(zhuǎn)換梁截面高度不宜小于計(jì)算跨度的1/8，框支梁截面寬度不宜大于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度，且不宜小于其上墻體截面厚度的2倍和400mm的較大值。同時(shí)考慮框支剪力墻插筋施工方便，以及二級(jí)框支剪力墻結(jié)構(gòu)框架柱軸壓比限制不應(yīng)小于0.7，故取KZL1截面尺寸為950mmX1200mm。此時(shí)梁下凈高為3.3m，滿足建筑使用要求。

（2）根據(jù)高規(guī)10.2.10條，柱截面寬度抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于450mm，柱截面高度，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不宜小于轉(zhuǎn)換梁跨度的1/12。同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)換梁與轉(zhuǎn)換柱交接處施工方便，本工程中轉(zhuǎn)換柱每側(cè)尺寸取值均比轉(zhuǎn)換梁寬50mm，故取KZZ1、KZZ2截面尺寸為1000mmX1000mm。

2.2 轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)

（1）考慮到結(jié)構(gòu)安全性，提高梁抗剪承載力，也為了施工方便，本工程中轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度均同此層剪力墻的混凝土強(qiáng)度，為C45。

（2）轉(zhuǎn)換梁上、下部縱向鋼筋的最小配筋率二級(jí)時(shí)不應(yīng)小于0.40%。梁加密區(qū)箍筋直徑不應(yīng)小于10mm，間距不應(yīng)大于100mm，加密區(qū)箍筋的最小面積配筋率二級(jí)時(shí)不應(yīng)小于。偏心受拉的轉(zhuǎn)換梁除按計(jì)算確定外，支座上部縱向鋼筋至少應(yīng)有50%沿梁全場(chǎng)貫通，沿梁腹板高度應(yīng)配置間距不大于200mm、直徑不小于16mm的腰筋。

（3）轉(zhuǎn)換梁的有限元分析復(fù)核。SATWE計(jì)算轉(zhuǎn)換梁的受力模型為框支剪力墻的荷載簡(jiǎn)單的傳遞給轉(zhuǎn)換梁，再由轉(zhuǎn)換梁傳遞給轉(zhuǎn)換柱，但實(shí)際上轉(zhuǎn)換梁與框支剪力墻的受力形態(tài)遠(yuǎn)比SATWE的計(jì)算模型復(fù)雜，這是由于：1）框支剪力墻和轉(zhuǎn)換梁作為一個(gè)整體共同彎曲變形，相當(dāng)于一個(gè)倒T形深梁，轉(zhuǎn)換梁處于深梁的受拉翼緣，應(yīng)力積分后梁中會(huì)出現(xiàn)軸向受拉力。2）框支剪力墻內(nèi)應(yīng)力向轉(zhuǎn)換柱傳遞的應(yīng)力傳力流與“拱”類似，由于豎向傳力“拱”的存在，使得上部一定范圍內(nèi)墻體上的豎向荷載很大一部分以斜向荷載的形式傳遞到轉(zhuǎn)換梁上，若將斜向荷載分解為垂直和水平等效荷載形式，則在水平荷載作用下，就形成了轉(zhuǎn)換梁內(nèi)一定區(qū)域受到軸向拉力的情況。

對(duì)于這種墻梁?jiǎn)卧w作用的形式，則有必要用二維殼單元模型進(jìn)行分析。本工程采用FEQ軟件進(jìn)行應(yīng)力分析并與SATWE計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

梁式轉(zhuǎn)換層有限元分析模型選取原則：1）轉(zhuǎn)換梁上部墻體層數(shù)的選擇與轉(zhuǎn)換梁跨度有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁跨度較大時(shí)，上部層數(shù)可選多些。本工程上部層數(shù)選4層。2）下部支承結(jié)構(gòu)的層數(shù)一般取到嵌固端。KZL1應(yīng)力分析結(jié)果如（圖2、圖3）所示：

圖2 恒載作用下的σx等應(yīng)力線圖

（密度越大，應(yīng)力越大）

圖3 恒載作用下的τxy等應(yīng)力線圖

（密度越大，應(yīng)力越大）

上圖中，由于墻梁作為一個(gè)整體參加計(jì)算，墻梁交接處截面變化導(dǎo)致應(yīng)力集中，故壓應(yīng)力與剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在此部位，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換梁梁底處。

經(jīng)由各工況產(chǎn)生的拉應(yīng)力進(jìn)行組合，經(jīng)計(jì)算所得Mmax=4686kN/m（1.2恒載+0.98活載+1.4X向地震）。與SATWE的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較（圖4、圖5），用FEQ計(jì)算所得的跨中最大彎矩比SATWE計(jì)算所得的彎矩大4%，證明一維桿單元模型與二維殼單元模型計(jì)算結(jié)果存在偏差，有必要對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行有限元精細(xì)化分析。經(jīng)過(guò)校核，原設(shè)計(jì)配筋滿足FEQ計(jì)算配筋結(jié)果。

圖4 兩種程序計(jì)算跨中最大彎矩圖比較

圖5 兩種程序計(jì)算梁底筋最大值圖比較

2.3 轉(zhuǎn)換柱的設(shè)計(jì)

在柱網(wǎng)布置過(guò)程中，需配合建筑平面布置，控制落地剪力墻與相鄰框支柱的距離，盡可能增加落地剪力墻數(shù)量，以滿足底部空間樓層板的平面內(nèi)剛度要求，使轉(zhuǎn)換層上部剪力能有效的傳給落地剪力墻，而框支柱承受較小的剪力。為滿足水平力能夠連續(xù)傳遞，轉(zhuǎn)換構(gòu)件周圍的樓板不應(yīng)錯(cuò)層布置。

根據(jù)SATWE程序計(jì)算結(jié)果，本工程底層地震作用下X方向最大剪力為1251.7kN，Y方向最大剪力為1364.7kN。根據(jù)計(jì)算，二層轉(zhuǎn)換柱承受剪力之和X方向?yàn)?134.1kN，Y方向?yàn)?141.6kN，不小于結(jié)構(gòu)基底剪力（標(biāo)準(zhǔn)值）的20%，滿足規(guī)范要求。

地下室頂板作為嵌固端時(shí)地下1層每側(cè)縱向鋼筋面積不小于地上1層的1.1倍，同時(shí)為了避免轉(zhuǎn)換柱在1層柱底與地下1層柱頂承載力突變，造成對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，故轉(zhuǎn)換柱縱筋延伸至地下1層，地下2層角筋不變，其余縱筋直徑根據(jù)計(jì)算配筋適當(dāng)減小。

根據(jù)高規(guī)10.2.10條，本工程轉(zhuǎn)換柱箍筋采用井字復(fù)合箍，并沿柱全高加密。

2.4 框支剪力墻、落地剪力墻的設(shè)計(jì)

落地剪力墻的布置：當(dāng)?shù)撞靠蛑訛?～2層時(shí)，落地剪力墻的間距不宜大于落地墻之間樓蓋的平均寬度的2倍和24m。同時(shí)，框支柱與相鄰落地剪力墻的距離，1～2層框支層時(shí)不宜大于12m。本工程經(jīng)測(cè)算均滿足要求。為避免承載力突變，轉(zhuǎn)換柱在上部墻體范圍內(nèi)的縱向鋼筋應(yīng)伸入上部墻體內(nèi)不少于一層，其余柱縱筋應(yīng)錨入轉(zhuǎn)換層梁內(nèi)或板內(nèi)。轉(zhuǎn)換柱與框支剪力墻交接處具體做法如圖6所示：

圖6 轉(zhuǎn)換柱與框支剪力墻交接處做法

框支剪力墻的墻身配筋除按SATWE計(jì)算確定外，需另按高規(guī)10.2.22條的要求進(jìn)行復(fù)核配筋：

1）柱上墻體的端部豎向鋼筋面積：

As=hcbw（σ01-fc）/fy（高規(guī)10.2.22-1）

2）柱邊寬度范圍內(nèi)豎向分布鋼筋面積Asw：

Asw=0.2lnbw（σ02-fc）/fyw（高規(guī)10.2.22-2）

3）框支梁上部0.2ln高度范圍內(nèi)墻體水平分布筋面積：

Ash=0.2lnbwσxmax/fyh（高規(guī)10.2.22-3）

式中：

ln———框支梁凈跨度（mm）；

hc———框支柱截面高度（mm）；

bw———墻肢截面厚度（mm）；

σ01———柱上墻體hc范圍內(nèi)考慮風(fēng)荷載、地震作用組合的平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值（N/mm2）；

σ02———柱邊墻體0.2ln范圍內(nèi)考慮風(fēng)荷載、地震作用組合的平均壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值（N/mm2）；

σxmax———框支梁與墻體交接面上考慮風(fēng)荷載、地震作用組合的水平拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值（N/mm2）；

有地震作用組合時(shí)，上述公式中σ01、σ02、σxmax均應(yīng)乘以γRE，γRE取0.85.

結(jié)合本工程KZZ1、KZL1上部剪力墻，經(jīng)計(jì)算可得σ01、σ02均小于fc，σxmax=3.1N/mm2，代入公式高規(guī)10.2.22-3，可得Ash=1894.44mm2。原墻身水平分布筋配置滿足該計(jì)算要求。

綜合上述計(jì)算及SATWE計(jì)算結(jié)果，KZZ1與KZL1上方框支剪力墻配筋如（圖7）所示：

圖7 轉(zhuǎn)換柱KZZ1上層框支剪力墻配筋圖

2.5 轉(zhuǎn)換構(gòu)件的延性極為重要

本工程為了提高轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱的延性，加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，采取了提高配箍率及縱向鋼筋配筋率，控制轉(zhuǎn)換柱軸壓比等措施，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)際配筋適當(dāng)放大。根據(jù)高規(guī)附錄E.0.1條規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1、2層時(shí)，可近似采用轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度比γe1表示轉(zhuǎn)換層上、下層結(jié)構(gòu)剛度的變換，抗震設(shè)計(jì)時(shí)γe1不應(yīng)小于0.5。根據(jù)SATWE計(jì)算所得結(jié)果X向等效剪切剛度比為1.3720，Y向等效剪切剛度比為1.4471，滿足規(guī)范要求。

轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)，外荷載產(chǎn)生的水平力是根據(jù)各片剪力墻的等效剛度按比例分配，而轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)，由于框支轉(zhuǎn)換柱與落地剪力墻的剛度差異，故外荷載產(chǎn)生的水平力分配時(shí)產(chǎn)生剛度突變，轉(zhuǎn)換層樓板起到上下剪力重新分配的作用。故本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)換梁周邊的板厚取180mm，其余樓板取120mm，此層樓板雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不小于0.25%。同時(shí)，為減小應(yīng)力突變?cè)斐傻挠绊?，轉(zhuǎn)換層相鄰上下層樓板適當(dāng)加強(qiáng)，樓板厚度均取120mm，樓板雙層雙向配筋，且每層每方向的配筋率不小于0.2%。。

2.6 轉(zhuǎn)換構(gòu)件的中震分析

框支剪力墻結(jié)構(gòu)是典型的軟弱層結(jié)構(gòu)，上部剪力墻的抗側(cè)剛度很大，而底部柱子抗側(cè)剛度很小，上下剛度存在差異，在水平荷載作用下底部框架的層間變形很大，通常在底層柱兩端出現(xiàn)塑性鉸，地震作用產(chǎn)生的層間側(cè)移會(huì)很大，框架柱不可能承受如此大的變形而常常被破壞，各地歷史上均出現(xiàn)了多例框支剪力墻結(jié)構(gòu)建筑在地震中遭到嚴(yán)重破壞的例子。本工程處于6度區(qū)，考慮到轉(zhuǎn)換構(gòu)件對(duì)建筑安全的重要性，故對(duì)轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱的承載力補(bǔ)充了中震分析，即中震抗剪彈性、中震抗彎不屈服驗(yàn)算。

中震抗剪彈性分析時(shí)有關(guān)參數(shù)取值如下：地震影響系數(shù)取為小震的2.8倍，不計(jì)算風(fēng)荷載，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取1，其余參數(shù)同小震取值。KZZ1、KZL1計(jì)算結(jié)果摘錄如下：KZL1加密區(qū)計(jì)算配箍Asv=6.8cm2，KZZ1加密區(qū)計(jì)算配箍Asv=7.1cm2，經(jīng)復(fù)核，原設(shè)計(jì)配箍已滿足中震抗剪彈性要求。

中震抗彎不屈服分析時(shí)有關(guān)參數(shù)取值如下：地震影響系數(shù)取為小震的2.8倍，不計(jì)算風(fēng)荷載，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)為1，材料取標(biāo)準(zhǔn)值，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1，抗震影響系數(shù)γRE取為1，其他參數(shù)同小震取值。KZZ1、KZL1計(jì)算結(jié)果摘錄如下：KZL1梁底計(jì)算配筋為As=119cm2，KZZ1柱單邊計(jì)算配筋為As=28cm2，原設(shè)計(jì)配筋已滿足中震抗彎不屈服要求。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的重要發(fā)展，其思想內(nèi)涵不僅僅是追求體積最小或重量最輕，更重要的是要達(dá)到一種資源合理的優(yōu)化配置。因此，專業(yè)人員要認(rèn)真負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作，必須對(duì)其剪力墻的受力狀態(tài)進(jìn)行正確的計(jì)算分析，合理科學(xué)進(jìn)行剪力墻的結(jié)構(gòu)布置，確保結(jié)構(gòu)在地震下的安全性，提高建筑物的使用價(jià)值與安全性。

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