短肢剪力墻在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳劍鋒 沈樂

【摘要】現(xiàn)代建筑做為現(xiàn)代文明的代表之一，在人們的日常生活中發(fā)揮著巨大的作用，不僅滿足了人們的居住需求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了土地資源集中使用，達(dá)到了節(jié)約土地的目的。由于現(xiàn)代建筑方式的多樣性，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也五花八門，但在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇時(shí)不能只單單的追求外在美觀，建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等也是重要的參考指標(biāo)。伴隨我國城市化進(jìn)程的加速，城市中的住房建設(shè)也在迅速的展開，高層建筑數(shù)量也在逐漸攀升，這對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的要求越來越高，將剪力墻應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中，可以更好的滿足建筑強(qiáng)度需求及抗震需求等。因此本文針對(duì)剪力墻的概念、分類及特點(diǎn)進(jìn)行了簡要敘述，隨后針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需遵循的原則及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析探討。

【關(guān)鍵詞】短肢剪力墻；高層；應(yīng)用

我國社會(huì)主義發(fā)展逐漸深入，城市化水平不斷提高，促使人們對(duì)建筑物的要求不斷提高，建筑物不僅要滿足日常的使用，還要具有較高的安全性及穩(wěn)定性，這就要求我們的工程設(shè)計(jì)者要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善和優(yōu)化。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種高強(qiáng)度的建造技術(shù)，它的應(yīng)用可以有效的提高建筑物的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，受到社會(huì)各界人士的青睞。同時(shí)，該工程技術(shù)的施工環(huán)境也相對(duì)良好，因此該技術(shù)出現(xiàn)以來便在建筑行業(yè)中得到推廣。

一、建設(shè)項(xiàng)目

本工程為某市一住宅小區(qū)高層住宅建筑工程，本文討論一個(gè)伸縮縫區(qū)段。建筑面積為 3876 m 2 ，標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積為 338 m 2 。縱向總長度為24.97 m，橫向總長度為 14.3 m。開間為 3.3 m～5.1m，進(jìn)深為 4.5 m～6 m。層數(shù)為十一層，局部躍十二層。 其中一至十一層層高為 2.9 m，十二層層高為 2.7m。建總高度為 36.95 m。外墻采用 300 mm 空心磚，內(nèi)夾 70 厚水泥聚苯板，內(nèi)墻采用 200 厚空磚。結(jié)構(gòu)形式采用短肢剪力墻。樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土肋形樓蓋，墻、柱、梁均為現(xiàn)澆，抗震設(shè)防烈度為七度。

二、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)業(yè)主的要求，本工程在房間內(nèi)是不允許露出柱和梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 因此本工程可供選擇的結(jié)構(gòu)方案有兩種，分別為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架結(jié)構(gòu)。 如果采用異形框架柱的話，對(duì)于肢高和肢厚以及柱高和柱截面長邊尺寸都有一定的規(guī)范限制，這在一定程度上限制了截面尺寸。 結(jié)果計(jì)算分析，采用異形框架柱結(jié)構(gòu)方案，會(huì)出現(xiàn)柱的軸壓比超限的問題，同時(shí)其高度限制為35 m，小于本工程的建筑高度36.95 m，因此， 本工程不適宜采用異形框架柱結(jié)構(gòu)方案。 而對(duì)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)過對(duì)軸壓比、 側(cè)移以及扭轉(zhuǎn)等進(jìn)行計(jì)算，均能滿足要求，同時(shí)也符合高度限值的要求，因此本工程最終決定采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案。

2、結(jié)構(gòu)布置

在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要遵循水平布置的原則，在水平方向要盡可能的將剛度核心與重量核心安布在一起，此外還要依照軸對(duì)稱的原則，從而實(shí)現(xiàn)降低扭矩的目的。與此同時(shí)，抗震性也是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，要特別的關(guān)注其抗震合理性及具體結(jié)構(gòu)形式，盡量不要設(shè)計(jì)成單一的形式，這種形式會(huì)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性產(chǎn)生不利影響，從而影響整體的抗震性能。在剪力墻的位置設(shè)計(jì)中，剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力正比于剪力墻結(jié)構(gòu)擺放的集中度，因此要合理的安排剪力墻之間的空間距離，使其間隔處在一個(gè)相對(duì)比較合理的范圍之內(nèi)，這樣既能夠保證剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度及使用穩(wěn)定性，又能夠保證較高的性價(jià)比，這對(duì)建筑物的整體強(qiáng)度性能及抗震性能都能起到保障作用?？偟膩碚f，剪力墻結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)遵循均勻、對(duì)稱原則；剛度重心重合于質(zhì)量中心原則；內(nèi)外剪力墻要盡量對(duì)直且拉通。

2.1、根據(jù)相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，高層剪力墻結(jié)構(gòu)不應(yīng)全部采用短肢剪力墻。 因此，本工程在樓梯間處布置有剪力墻，并與電梯間結(jié)合在一起，從而形成短肢剪力墻—筒體結(jié)構(gòu)，而在結(jié)構(gòu)的其他地方，則采用小開間布置剪力墻的方式，沿著內(nèi)外墻的交接處布置短肢剪力墻。 通常情況下，應(yīng)將短肢剪力墻設(shè)計(jì)成T形或者L形，這種形式可以有效的提高其側(cè)向剛度。

2.2、水平抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置是一個(gè)重要方面，合理的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)能夠有效的減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，因此在進(jìn)行水平抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置時(shí)，應(yīng)盡量確保均勻和對(duì)稱。 在進(jìn)行剪力墻的布置時(shí)，為了更好的進(jìn)行分析，可以采用SATWE程序進(jìn)行跟蹤計(jì)算，通過軟件分析結(jié)果可以對(duì)剪力墻的布置效果有個(gè)很好的認(rèn)識(shí)，從而對(duì)剪力墻的布置能夠盡量確保結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心的重合。 根據(jù)相關(guān)的規(guī)定可以知道，A級(jí)高度高層結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)考慮偶然偏心影響的話，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移應(yīng)控制在該樓層平均值的1.2倍以內(nèi)，本工程經(jīng)過分析將該控制值取為1.06倍。剪力墻的軸壓比應(yīng)滿足規(guī)范的要求。 本工程為二級(jí)抗震等級(jí)，按12 kN/m2 進(jìn)行估算。 根據(jù)相關(guān)的規(guī)范規(guī)定，短肢剪力墻的軸壓比不得超過0.6，而一字型短肢剪力墻的軸壓比不得超過0.5。 墻肢的長度應(yīng)為厚度的5～8倍，同時(shí)在進(jìn)行布置時(shí)還應(yīng)考慮門窗洞口的要求。 本工程剪力墻厚度分別取為：外墻250 mm，內(nèi)墻200 mm，而地下部分厚度取為100 mm。

在結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)確保剛度的連續(xù)。 4層以下的混凝土等級(jí)為C40，5到8層的混凝土等級(jí)為C35，而9層以上的混凝等級(jí)為C30，梁、 板的混凝土等級(jí)為C25。 沿著豎向方向剪力墻的截面尺寸均不發(fā)生變化。在結(jié)構(gòu)的布置時(shí)，應(yīng)盡量提高結(jié)構(gòu)的整體性。 本工程的樓屋蓋均采用現(xiàn)澆的方式。梁截面寬度的布置分別為：內(nèi)墻為200 mm，而外墻為250 mm。 梁高初步按凈空的1/10進(jìn)行確定。在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻數(shù)量的確定是一個(gè)非常重要的方面。 如果剪力墻布置的過少的話，會(huì)導(dǎo)致側(cè)向剛度偏低，從而引起側(cè)移大的問題；而剪力墻布置過多的話，地震作用大，這又不經(jīng)濟(jì)。 通常在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于剪力墻的布置可以通過壁率、 平均壓力等指標(biāo)對(duì)其數(shù)量的確定進(jìn)行控制。 壁率反映的是墻厚的因素，而平均壓力反映的是層數(shù)、 重量以及結(jié)構(gòu)截面積的因素。 與地震力有關(guān)的因素包括建筑的質(zhì)量和公安段，因此在進(jìn)行壁率指標(biāo)的技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮建筑高度的因素。

3、主要分析結(jié)果

SATWE 是專門為多高層建筑結(jié)構(gòu)分析而研發(fā)的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系計(jì)算。SATWE 是以殼元理論為基礎(chǔ)構(gòu)造一通用的超單元墻元為模擬剪力墻，它不僅具有平面內(nèi)剛度，也具有平面外剛度，可以較好地模擬剪力墻的受力狀態(tài)。 而且墻元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有空間 6 個(gè)自由度，可方便地與任意空間梁柱單元連接，無需任何附加約束。SATWE 給樓板 4 種簡化假定，即假定樓板整體平面內(nèi)無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。

三、與其它框架結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行對(duì)比

找尋一其它框架結(jié)構(gòu)建設(shè)的建筑，與該工程進(jìn)行對(duì)比。在工程的使用材料上通過調(diào)查數(shù)據(jù)可以清楚的看出，剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑，無論是在用鋼量，還有混凝土的用量，還是其他建筑材料的用量會(huì)比其他結(jié)構(gòu)減少很多。符合我國當(dāng)前建筑行業(yè)的需求，符合我國現(xiàn)在走可持續(xù)發(fā)展道路的策略，而且還能減少建筑工程建設(shè)投入的資金，增長企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑更具有經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡金焱.淺談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J] .科技創(chuàng)新與應(yīng)用。2013（31）

[2] 王歡慶. 淺議高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江科技信息，2013（4）

[3] 胡庸.賀靈榮. 小高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化研究[J]. 工業(yè)建筑，2011（3）