我高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

李麗娟

摘要：為保證高層建筑結(jié)構(gòu)性能，有效避免地震以風力等方面因素對建筑物結(jié)構(gòu)的影響，加上相關(guān)單位對高層建筑剪力墻經(jīng)濟性方面要求，需對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化設(shè)計。本文即詳細闡述了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的要點。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；優(yōu)化設(shè)計；配筋；連梁

一、剪力墻結(jié)構(gòu)概念及結(jié)構(gòu)能效

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內(nèi)力，并有效控制結(jié)構(gòu)水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑時不僅要符合建筑物整體布局結(jié)構(gòu)，還要滿足建筑物平面布置，剪力墻結(jié)構(gòu)在整體建筑中是個重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，是起到抗震、抗風以及傳導荷載導致的剪力、軸力等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此在整個建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)是重要承載體系；剪力墻是建筑物分隔墻和圍護墻，因此墻體布局同時滿足建筑平面布置，然而剪力墻間距有一定限制，故不可能開間太大，所以在使用剪力墻結(jié)構(gòu)時通常采用混凝土結(jié)構(gòu)作為樓層蓋板，且通常采用平板，可不設(shè)置梁，這樣可節(jié)約層高，提高空間利用率。這種結(jié)構(gòu)在高層建筑中被廣泛利用的另一原因是有很好承載能力，且有很好的整體性比框架結(jié)構(gòu)有更好的抗側(cè)力能力，因此可建造較高建筑物。

二、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則

（1）構(gòu)件設(shè)計要嚴格遵守肢長和厚度比值。由于剪力墻高度和寬度尺寸都有很大不同，要據(jù)幾何特征和受力形態(tài)來計算肢長和厚度比值，據(jù)結(jié)果實施按柱設(shè)計或是按雙向受壓構(gòu)件設(shè)計。

（2）既要滿足剛度要求又要具有很強變形性能和延性。此結(jié)構(gòu)墻體會承擔來自建筑多方向壓力，剪力墻結(jié)構(gòu)若想有效而綜合處理這些方向壓力就須采用延性彎曲型剪力墻結(jié)構(gòu)，這樣能有效綜合各方壓力，從而提高墻體剛性和抗震性能。

（3）剪力墻在設(shè)計時候要盡量避免平面外搭接，實在避免不了時應(yīng)按規(guī)范采取相應(yīng)措施，以保證剪力墻平面外安全。

三、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（一）高層剪力墻結(jié)構(gòu)布置要求

因剪力墻結(jié)構(gòu)在整體建筑中起到抗震、抗風以及傳導荷載力導致的剪力、軸力等的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且剪力墻結(jié)構(gòu)還是建筑物隔離墻，所以剪力墻結(jié)構(gòu)大多數(shù)是順著主軸線布置。剪力墻結(jié)構(gòu)具有較強抗脆性和延性變形、彎曲延性，設(shè)計師在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，剪力墻要具有相對較大高度與寬度，但剪力墻厚度要較小一點，這也符合剪力墻特征。對剪力墻結(jié)構(gòu)墻布置應(yīng)在“周邊、對稱、成對”前提下，盡可能減少墻肢片數(shù)量和暗柱數(shù)量。

（二）加強剪力墻結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計

高層剪力墻結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計需工作人員使用合理對策，促進剪力墻結(jié)構(gòu)受力平均，不僅可提高工程安全性能和結(jié)構(gòu)合理，且還可節(jié)約高層建筑造價成本。剪力墻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計需工作人員依據(jù)建筑物平面布局狀況來實現(xiàn)，設(shè)計人員分析各種情況，得出剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，這包括設(shè)計人員依據(jù)施工場地現(xiàn)狀，設(shè)計出科學合理剪力墻結(jié)構(gòu)，在設(shè)計人員設(shè)計好剪力墻結(jié)構(gòu)方案同時要制定出符合設(shè)計要求的管理條例，加強對剪力墻結(jié)構(gòu)檢查和監(jiān)督，增強施工人員安全意識和管理團隊科學管理水平，保證施工人員嚴格按照設(shè)計方案和施工圖紙進行施工，保障施工質(zhì)量，特別是剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

（三）剪力墻結(jié)構(gòu)厚度

對剪力墻厚度，相關(guān)抗震建筑規(guī)定有著較明確數(shù)據(jù)規(guī)定，因此高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計時須嚴格按照這些數(shù)據(jù)規(guī)定進行。例如5～15層的剪力墻結(jié)構(gòu)，一般墻肢在重力荷載代表值作用下軸壓比都<0.2，電算結(jié)果墻體常只需構(gòu)造配筋，但只因底部功能要求3.9m層高，墻厚就得240mm，若業(yè)主要求室內(nèi)視野開闊，不設(shè)外縱墻，橫墻朝外端頭不允許帶翼墻或端柱時，當層高3>5～4.2m時，則墻厚需要320mm～350mm，顯然不合理。故像這樣特殊情況的高層建筑應(yīng)通過采用概念設(shè)計分析，控制墻肢軸壓比，進行墻體截面條件、強度和穩(wěn)定性驗算并在構(gòu)造上適當加強暗柱或配筋，確保整體連結(jié)從而減小墻的厚度。

（四）剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋優(yōu)化設(shè)計

關(guān)于墻體配筋在剪力墻結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計，第一步要選擇優(yōu)質(zhì)材料，其中鋼筋材料選擇是重中之重，選擇質(zhì)優(yōu)鋼筋需檢查鋼筋各種合格證明，這是鋼筋進場前的首要工作，符合要求的鋼筋才可進入施工場地，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋大多數(shù)需把垂直鋼筋安置在里面，水平鋼筋安置在外面。這是因地底下墻體配筋相對于其他部分較多，且地下水壓和土壓造成壓力較強，剪力墻結(jié)構(gòu)配筋通常符合建議標準和工程測算的最小配筋率即可。依據(jù)實際現(xiàn)狀制定剪力墻優(yōu)化設(shè)計能較好減少投資成本。對剪力墻厚度選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結(jié)構(gòu)計算要求前提下也可采用180mm或160mm剪力墻。

（五）剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的優(yōu)化設(shè)計

相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)標準中明確提出，如連梁的跨高比大于5的時，就需按照框架梁要求展開設(shè)計，這也就是表示，跨高比大于5的連梁，其剛度不可減少，然而當連梁跨高比在5～6時，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大的情況，使得建設(shè)工程成本增加，浪費資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可明顯減少鋼筋與混凝土使用量，有效減少投資成本。

（六）層間位移比和最大位移的優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)規(guī)定，在核算常遇地震作用標準值造成樓層最大的彈性層間位移時，把以高層變形建筑物排除以外，大多數(shù)不扣除整個結(jié)構(gòu)的彎矩變形，同時算入扭轉(zhuǎn)變形。所以，以高層建筑為例，首要任務(wù)是制止樓層間和剪切變形。據(jù)制約的垂直構(gòu)件數(shù)量可制約剪切變形，一旦單數(shù)構(gòu)件布置的不科學，一樣能產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)變形，所以，高層建筑需最大可能減少扭轉(zhuǎn)變形，不可隨意增設(shè)構(gòu)件剛度。

（七）剪力墻結(jié)構(gòu)計算的優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對結(jié)構(gòu)合理性進行考察分析，比如在剪力墻結(jié)構(gòu)剛度適宜情況下，應(yīng)對規(guī)范規(guī)定的樓層最小剪力系數(shù)進行計算來保證樓層最大層間位移與層高之比的規(guī)范性；在對偶然偏心影響地震作用下進行分析后，應(yīng)對樓層豎向構(gòu)件最大水平位移和層間位移進行計算，保證A級高度高層建筑基本保持在樓層高度平均值的1.2倍內(nèi)，當超過1.2倍時，也絕對不能超過樓層高度平均值的1.5倍等等。

對樓層最小剪力系數(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)該合理的對剪力墻進行設(shè)置，設(shè)計合理的剪力墻設(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)計能夠使得剪力墻結(jié)構(gòu)的自重降低，進而對地震作用有著一定的抑制作用，同時還能節(jié)省一定的施工成本。對于樓層最大層間最大位移與層高之比的調(diào)整，在進行多地震作用的樓層的最大層間位移的計算時，要注意樓間彎曲變形，對于整體結(jié)構(gòu)彎曲變形可以不進行扣除。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)，在對層間位移進行充分的分析之后在進行豎向構(gòu)件剛度的改變。但是有的設(shè)計人員會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)計會使得結(jié)構(gòu)的剪重比難以控制。除此之外，還應(yīng)該對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主和結(jié)構(gòu)平動為主的第一自振周期之比以及連梁超限等方面進行調(diào)整，從而更好的保證高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化。

結(jié)語

綜上，建筑企業(yè)若想在未來的建筑行業(yè)競爭中獲取更多的主動權(quán)，就必須加強對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計對整個高層建筑項目的施工質(zhì)量保證具有關(guān)鍵性作用，必須重視對設(shè)計技術(shù)的研究和不斷探索。

參考文獻

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