高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施研究

李凱

【摘要】建筑設(shè)計師經(jīng)常使用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠減少建筑物發(fā)生側(cè)移的現(xiàn)象，大大增強建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。建筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計成了影響建筑的一個重要的因素，它的好壞將會直接影響建筑的抗震性及承載力。本文將會著重對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施進行分析。

【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu);建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計

引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城市人口不斷增加，建筑用地資源非常緊張，在這種情況下，高層建筑以其大容積率得以在城市中快速發(fā)展起來。高層建筑垂直高度較大，而且結(jié)構(gòu)較為復雜，這就需要選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式，來確保高層建筑的穩(wěn)定性。目前框剪結(jié)構(gòu)不僅能夠有效的確保使用空間的最大化，而且抗側(cè)力剛度也較好，所以在當前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中得以廣泛的應(yīng)用。在進行框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要對其設(shè)計進一步優(yōu)化，確保建筑結(jié)構(gòu)能夠更好的滿足建設(shè)可靠性的要求。

1高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

在高層住宅的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比存在一定的差異。下部樓層中，剪力墻的位移較小，因此，可以拉著框架按照彎曲型曲線變形，由剪力墻承受大部分水平力;而在上部樓層，剪力墻的位移會越來越大，并且呈現(xiàn)出外側(cè)的趨勢，因此，框架趨于內(nèi)收，拉著剪力墻按照剪切型曲線變形?？蚣艹素摀庳摵僧a(chǎn)生的水平力，還需要負擔拉動剪力墻的附加水平力，而剪力墻不會承受任何的荷載水平力，還因為給框架一個附加水平力，而承受負剪力。因此，在上部樓層，即使外荷載產(chǎn)生的樓層剪力很小，框架中也會出現(xiàn)相當大的剪力。作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻在結(jié)構(gòu)中的作用是非常巨大的，如果在設(shè)計時，僅僅在一個主軸方向布設(shè)剪力墻，很可能造成兩個主軸方向抗側(cè)剛度的巨大的差異，在沒有設(shè)置剪力墻的主軸方向，會因為剛度不足，無法與另一個主軸方向相互協(xié)調(diào)，在振動作用下容易導致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)破壞。因此，該工程設(shè)計中，在兩個主軸方向都布置了剪力墻，形成了雙向抗側(cè)力體系，可以有效減少層間側(cè)移。

2高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（1）剪力墻抗震優(yōu)化設(shè)計。在對高層住宅進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一定要考慮建筑的抗震指數(shù)。對于高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，可能由于本身剛度比較差，所以在發(fā)生地震時變形就會非常嚴重，對于地震的防御力就很低。因此，對于高層住宅剪力墻的剛度問題要進行優(yōu)化設(shè)計，符合抗震的要求，保證結(jié)構(gòu)合理和經(jīng)濟性。具體來說，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)當注重抗震的作用，盡量避免單向布置，按照雙向布置的原則，使受力方向的抗側(cè)剛度逐漸接近，形成一個良好的空間結(jié)構(gòu)。利用空間的充足性，減輕結(jié)構(gòu)的重量。站在多種角度，從多方面出發(fā)，進行結(jié)構(gòu)分析，注重和考慮抗震等級平均軸壓比帶來的影響及其穩(wěn)定性的相關(guān)要求。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。高層住宅建筑的設(shè)計不僅僅要求是能夠達到最基本的建筑使用標準，更要注意的注重結(jié)構(gòu)合理性問題。高層建筑的設(shè)計過程中需要考慮建筑層數(shù)比較多，并且在施工時要保證地基足夠堅固，支撐之后將要建造的上面的樓層的重量。在設(shè)計時，既要保證剪力墻能夠保證較好的抗震性，又要保證足夠的剛度。對于現(xiàn)有的剪力墻結(jié)構(gòu)中的一些缺點，比如建筑成本比較高，而且在施工時難度比較大，對于鋼材的使用量也非常大，也需要被考慮在優(yōu)化設(shè)計中?？赡苓@些缺點就是因現(xiàn)有剪力墻的結(jié)構(gòu)不合理性造成，所以在進行優(yōu)化設(shè)計的過程中就要考慮到這些問題。優(yōu)化設(shè)計者要充分考慮到各方面可能影響到剪力墻結(jié)構(gòu)的因素，在優(yōu)化設(shè)計時能夠改進這些問題，爭取使得優(yōu)化后的剪力墻在使用過程中盡量避免出現(xiàn)原有的不足。優(yōu)化過后的剪力墻結(jié)構(gòu)需要表現(xiàn)出抗震性好、建造成本低、施工時比較簡單、對鋼材的使用量降低等優(yōu)點，因此對高層住宅的剪力墻優(yōu)化設(shè)計的探索具有重要意義。

3高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)計算優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)計算方面進行優(yōu)化時，應(yīng)當遵循樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則、連梁超出限值的調(diào)整原則、樓層最大位移和層高之比的調(diào)整原則、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期和以平動為主的第一自振周期之間的比例調(diào)整原則，使計算結(jié)果無限地接近規(guī)范值。

（1）調(diào)整樓層高度和層間比例。在我們進行優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)計算的時候首先要關(guān)注樓層的高度和層間的比例，需要計算在地震對建筑物樓層影響的位移的時候?qū)τ跇菍拥膹澢冃魏团で冃危€要該考慮整棟建筑物的扭曲變形，在高層建筑物進行計算的時候，要盡可能的降低扭轉(zhuǎn)變形量，但是不能盲目添加縱向構(gòu)件的抗側(cè)剛度。

（2）調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)。如果說斷肢剪力墻承載底部地震的傾覆力小于總體的?40%，那么就必須減少剪力墻的數(shù)量，并且設(shè)計的時候是設(shè)計大開間剪力墻，這樣可以有效控制樓層最小剪力墻系數(shù)在一定的范圍內(nèi)，能夠降低地震對建筑物的影響，節(jié)約建筑成本。

（3）層間位移和樓層高度的比例設(shè)計。在我們進行剪力墻機構(gòu)設(shè)計的時候要考慮受地震影響較重的時候，剪力墻彈性位移的數(shù)值范圍和整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的變形量，一般我們在計算剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計時候關(guān)鍵自身與剪切變形量和整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。改變縱向構(gòu)件的數(shù)目是控制剪切變形的一個重要的手段，然而如果縱向構(gòu)架過多也會造成墻面結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。因此在設(shè)計的時候也要控制縱向構(gòu)件的數(shù)目。

（4）結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)自振周期與平動自振周期T1之比的調(diào)整原則。通過對震害的研究可以發(fā)現(xiàn)，如果剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計以及施工中存在質(zhì)量偏心、剛度較差、平面存在凹凸不平等問題，將會受到地震的較為嚴重的影響。所以，在進行剪力墻的設(shè)計中，應(yīng)該充分的考慮剪力墻結(jié)構(gòu)抗扭曲剛度的承受能力，在設(shè)計中應(yīng)該對剪力墻結(jié)構(gòu)平面的標準進行控制，防止出現(xiàn)大規(guī)模的扭曲變形，在進行扭轉(zhuǎn)效應(yīng)計算的時候應(yīng)該講偏心影響納入其中;其次，在進行限制結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，要保證抗扭曲程度達到施工要求。實際的施工設(shè)計，需要有效的將結(jié)構(gòu)周圍的環(huán)境進行良好的控制，從而有效的強化并提高剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗扭曲程度。如果在設(shè)計的時候，僅僅通過在部分位置加裝構(gòu)件進行支撐，那么對整體的側(cè)向剛度能力的提升范疇微乎其微。

（5）連梁超限的調(diào)整原則。《高規(guī)》規(guī)定剪力墻長度不宜大于8m，當大于8m時，宜采用弱連梁將其分開。同時還規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進行設(shè)計;有地震作用組合時，對于高跨比大于2.5及小于2.5兩種情況，在截面受剪承載力及配筋方面有不同規(guī)定。為此應(yīng)將連梁進行塑性調(diào)幅，以降低剪力設(shè)計值。塑性調(diào)幅可采用的方法：在內(nèi)力計算之后，將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。連梁調(diào)整后的彎矩、剪力設(shè)計值不應(yīng)低于使用狀況的值，以避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁出現(xiàn)裂縫。

4結(jié)語

在我國的高層建筑住宅中，剪力墻結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用，其數(shù)量會根據(jù)不同的高層住宅而有所不同，所以對于高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化勢在必行。而在對剪力墻的優(yōu)化設(shè)計中要注意，優(yōu)化的目的不僅僅是為了能夠降低工程造價，更要在保證安全的前提下，做到建筑的合理性，要更好的保證建筑的使用功能。因此，對于高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化要妥善考慮到建筑各方面的特點，兼顧合理性，才能發(fā)揮出結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義。

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