基于剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

吳金保

【摘 要】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，剪力墻的作用尤為重要，本文對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析。

【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu)；高層；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)工作，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)重要性、設(shè)計(jì)前提、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則等方面。以下從幾個(gè)方面出發(fā)，對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

1.1 設(shè)計(jì)重要性

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著非常高的重要性。眾所周知高層建筑是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物，并且本身也是現(xiàn)代化、工業(yè)化和城市化的必然結(jié)果。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則在很大程度上反應(yīng)出了一個(gè)國(guó)家的建筑科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平。其次，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步以及城市人口密度的持續(xù)提升，高層建筑正在逐步成為當(dāng)今建筑最為重要的發(fā)展趨勢(shì)，并且也成為了城市現(xiàn)代化的象征。為了能夠有效的滿足高層建筑的抗震性和經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究就具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1.2 設(shè)計(jì)前提

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著必要性的前提。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身就具有很多的概念和原則。打個(gè)比方來說，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)一幢高層建筑時(shí)可以將這一建筑看成一根豎直放置在嵌固于地基的開孔帶。其次，由于高層建筑多為巨型空間構(gòu)架，因此建筑的剪力墻不僅僅需要承受所有重力荷載的作用，并且還需要在這一前提下保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，由于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)還需要保證各種建筑內(nèi)部的裝飾、填充墻等不會(huì)在地震等作用中受到損壞，還需要提供建筑內(nèi)部工作、生活的人們有一個(gè)舒適的環(huán)境，因此其設(shè)計(jì)需要將剪力墻可能出現(xiàn)的變形控制在一定范圍內(nèi)。

1.3設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自身有著獨(dú)特的特點(diǎn)。眾所周知，剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下往往容易出現(xiàn)彎曲型的側(cè)向變形，并且由于剪力墻結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載和水平荷載都較大，結(jié)果在很大程度上促使了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和側(cè)向剛度。但是在這一過程中需要注意的是，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)由于不能夠提供大空間房屋并且結(jié)構(gòu)延性通常來說也較差，因此這在很大程度上限制了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，例如許多高層建筑的內(nèi)部房屋只能以小房間為主，這與高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制有著非常大的關(guān)系。

1.4設(shè)計(jì)原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理，比如說剪力墻結(jié)構(gòu)剛度不宜過大，應(yīng)以規(guī)范規(guī)定的樓層最小剪力系數(shù)為目標(biāo)，使計(jì)算結(jié)果接近規(guī)范限值（不小于限值），同時(shí)要使樓層層間最大位移與層高之比滿足規(guī)范限值，再者，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，含鋼量和混凝土用量也是判斷結(jié)構(gòu)是否設(shè)計(jì)合理的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如下表1所示。

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

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要許多方面工作的支持。以下從優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、確保結(jié)構(gòu)均勻、合理開設(shè)洞口、進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析等方面出發(fā)，對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先應(yīng)當(dāng)著眼于結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時(shí)首先應(yīng)當(dāng)確保剪力墻是沿著主軸方向或者是其他方向來進(jìn)行雙向均勻布置。這一布置在一方面能夠形成良好的空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，并且還能夠使兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度接近，最終使其具有較好的空間工作性能。其次，剪力墻上要求開設(shè)門窗洞，因此設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)當(dāng)針對(duì)剪力墻抗側(cè)剛度較大的特性來進(jìn)一步充分利用剪力墻的能力，例如設(shè)計(jì)人員可以減輕結(jié)構(gòu)重量并且以此基礎(chǔ)上增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)當(dāng)在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升剪力墻的質(zhì)量與使用壽命。

2.2確保結(jié)構(gòu)均勻

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化還應(yīng)當(dāng)確保結(jié)構(gòu)的均勻性。由于高層建筑按照所用結(jié)構(gòu)材料可以分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。并且于砌體材料的抗拉強(qiáng)度較低，抵抗水平荷載作用的能力和延性較差，在高層建筑中很少使用。高層結(jié)構(gòu)的基本受力單元包括框架、剪力墻和筒體。伴隨著高層建筑的迅速增加，原來的框架結(jié)構(gòu)因?yàn)槁读骸⒙吨F(xiàn)象已逐漸被剪力墻結(jié)構(gòu)所替代。剪力墻是以承受水平荷載為主的豎向構(gòu)件，其寬度可達(dá)幾十米甚至上百米。設(shè)計(jì)人員在確保結(jié)構(gòu)均勻時(shí)應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)墻肢剛度相差過于懸殊的洞口設(shè)置，并且當(dāng)剪力墻的洞口布置出現(xiàn)錯(cuò)洞問題時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)通過采取框架形式等不同的方法來迅速的對(duì)其進(jìn)行處理。其次，設(shè)計(jì)人員在確保結(jié)構(gòu)均勻時(shí)應(yīng)當(dāng)確保剪力墻能夠自下到上連續(xù)布置，從而能夠有效的避免剛度突變問題的出現(xiàn)。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在確保結(jié)構(gòu)均勻時(shí)可以沿高度選擇性的減少部分墻肢，從而能夠避免對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生不利的影響。

2.3合理開設(shè)洞口

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要合理的開設(shè)洞口。工作人員在合理開設(shè)洞口時(shí)應(yīng)當(dāng)將其分成長(zhǎng)度較為均勻的若干墻段，并且在這一過程中采用弱連梁來進(jìn)行連接，這主要是為了能夠確保每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比低于3，從而能夠有效的避免剪力墻產(chǎn)生脆性的剪切破壞。其次，由于高層住宅通常利用樓梯、電梯及豎向管道井等部位設(shè)置剪力墻，形成相對(duì)完整的筒體。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免在洞口與墻邊或者是在兩個(gè)洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)小墻肢截面高度小于墻厚的4倍的剪力墻時(shí)應(yīng)當(dāng)按框架柱來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在這一過程中合理的控制剪力墻平面外的彎矩，從而能夠在此基礎(chǔ)上保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性。

2.4 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)人員在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)致的結(jié)構(gòu)分析。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)首先通過結(jié)構(gòu)分析來滿足最大層間位移、周期比、位移比等重要的結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)。其次，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到不同抗震等級(jí)情況下剪力墻的穩(wěn)定性和相關(guān)構(gòu)造要求，并且還應(yīng)當(dāng)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定來進(jìn)行設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理和剪力墻結(jié)構(gòu)的具體剛度，來最終提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

3.結(jié)束語

剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在高層建筑中起著非常重要的作用，我們?cè)谑┕ぴO(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體的要求，選擇最合適的優(yōu)化，這樣才能有效地保證我們工作的開展。不過高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的要求相比傳統(tǒng)建筑要高的多，加之新的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，這些都會(huì)給我們的設(shè)計(jì)工作提出新的問題與挑戰(zhàn)。所以，我們?cè)诩袅Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要多思考、多總結(jié)，不斷學(xué)習(xí)先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)來充實(shí)自身，通過這些手段，我相信在不遠(yuǎn)的將來我們的設(shè)計(jì)水平必將上升到一個(gè)新的檔次。

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