對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些問題的思索

何榮輝

（廣東省建筑設(shè)計研究院　廣東　廣州　510010）

對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些問題的思索

何榮輝

（廣東省建筑設(shè)計研究院廣東廣州510010）

框架剪力墻結(jié)構(gòu)亦被稱為框剪結(jié)構(gòu)，它廣泛應(yīng)用于豎向布置繁雜或平面、水平荷載較大的高層建筑。本文主要結(jié)合工程案例對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中的框架剪力墻設(shè)計的一些問題進(jìn)行研究，希望有效地提升高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果。

高層建筑；框架剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題

1　引言

隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，為了確保建筑物的安全性，高層樓已經(jīng)開始運用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻重要的作用就是承受地震，框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于兼?zhèn)淇蚣芎图袅Φ奶卣?，不僅具有大的承載力，還能吸收部分地震中的能量。剪力墻主要是由墻肢和連梁等構(gòu)件構(gòu)成的，剪力墻結(jié)構(gòu)具有非常大的承載力以及結(jié)構(gòu)剛度、非常小的側(cè)移變形、非常強(qiáng)的抵抗水平側(cè)移能力等一些特點。剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑。在國內(nèi)一些住宅建筑，以滿足不同的功能，它采用了小開間的結(jié)構(gòu)，因為在隔壁的房間與臥室隔開，所以不僅可以通過剪切承重結(jié)構(gòu)的墻壁和分區(qū)壁成一體，并能達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)性和實用性。為了保障更多的建筑物建設(shè)中的結(jié)構(gòu)安全和建設(shè)成功后的正常使用，我們必須對建筑物的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行加強(qiáng)。對剪力墻設(shè)計進(jìn)行研究的時候，必須要懂得剪力墻的概念，就是指在建筑設(shè)計中主要用來承受風(fēng)荷載或者地震作用引起的水平荷載的墻體（如圖1所示）。運用剪力墻結(jié)構(gòu)是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因為剪力墻結(jié)構(gòu)有著非常多的優(yōu)點，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，可以很好地提升建筑物的抗震性能。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向位移很小，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要充分考慮整體的變形協(xié)調(diào)性。由于框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架和剪力墻兩種不同結(jié)構(gòu)組成的，而框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力是不同的。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，側(cè)移曲線呈彎剪型，由于框架、剪力墻的協(xié)同受力，在結(jié)構(gòu)的底部框架及結(jié)構(gòu)的上部剪力墻的側(cè)移減小，因此側(cè)移曲線兼有這兩種結(jié)構(gòu)的特點。彎剪型變形曲線的層間變形沿建筑高度比較均勻，減小了框架和剪力墻的層間變形。

圖1　幾種常見的剪力墻

2　高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些問題

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，采用剪力墻結(jié)構(gòu)對高層建筑的抗震性能有顯著的提升效果，但是框架剪力墻結(jié)構(gòu)在使用過程中仍然存在著許多技術(shù)問題，為了更好的發(fā)揮框架剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)抗震體系中的優(yōu)勢，設(shè)計施工過程中必須注意結(jié)構(gòu)體系之間的聯(lián)系，可以在剪力墻的周圍增加梁柱結(jié)構(gòu)，形成邊框剪力墻以保證斜截面的承載能力，以抵抗剪力墻開裂后對梁柱施加的附加剪應(yīng)力。

2.1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算方法

目前，在我國設(shè)計工作中開始引進(jìn)先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，國內(nèi)外已經(jīng)開始運用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，但是計算機(jī)仍然需要經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員來解決相關(guān)的問題。由于剪力墻呈現(xiàn)出脆性，無法滿足抗震的具體要求。因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要進(jìn)行精確的計算，但是專業(yè)的結(jié)構(gòu)計算軟件不多，所以設(shè)計人員應(yīng)該充分地結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計和計算的工具，而且一定要把自身的工作經(jīng)驗結(jié)合起來，這樣就可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的效率及其質(zhì)量。在對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化的過程當(dāng)中，既要考慮計算的結(jié)果，還應(yīng)該結(jié)合試驗不斷地對處理設(shè)計的方案進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以確保計算結(jié)構(gòu)的可靠性。例如：在剪力墻的邊緣構(gòu)造設(shè)計過程中，在經(jīng)過計算以及分析之后，可以得出通過增加墻肢截面兩端的翼緣可以使得墻肢的延性得以提高。

2.2框架剪力墻的變形協(xié)調(diào)

2.3建筑整體結(jié)構(gòu)的性能

框架剪力墻結(jié)構(gòu)是一種被廣泛應(yīng)用于我國實際建筑工程中的結(jié)構(gòu)體系，其抗震的性能兼顧了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻的抗震優(yōu)點。這一性能的準(zhǔn)則是“投資-效益”，即根據(jù)不同的建筑物的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的不同，在分析結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)上，將其劃分不同的等級。這一設(shè)計理念中，合理的抗震性能目標(biāo)和結(jié)構(gòu)措施是必須的設(shè)計要求。投資-效益相結(jié)合的準(zhǔn)則使得結(jié)構(gòu)設(shè)計方案得到了很大程度上的優(yōu)化，能夠更好的實現(xiàn)目標(biāo)。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，必須了解結(jié)構(gòu)受力的情況，這樣可以很好地避免在地震或者是其他的自然災(zāi)害時候出現(xiàn)的受力不均勻的情況，這樣可以很好地控制災(zāi)害。以往的承載力抗震設(shè)計方法往往存在這樣的不足：該方法對于結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的工作情況不能進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，同時也無法控制結(jié)構(gòu)在震害作用下的破壞程度，使得結(jié)構(gòu)處于一種被動的抗震情形之下。在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)的時候，必須注重結(jié)構(gòu)最薄弱的地位，這樣就很好地防止結(jié)構(gòu)局部能力減弱。與此同時，要結(jié)合工作人員的工作經(jīng)驗以及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，并且要對薄弱的部分進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，這樣做便于找到相應(yīng)的技術(shù)措施，從而可以使得結(jié)構(gòu)的總體抗震能力得到提高，更合理的實現(xiàn)性能抗震設(shè)計。

2.4框架剪力墻結(jié)構(gòu)在水平地震作用

剪力墻結(jié)構(gòu)最主要的作用就是防震，進(jìn)而可以在發(fā)生地震的時候，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗壓作用得到了減少?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的靈活布置也提供了很大的建筑空間，剪力墻的延展性和抗側(cè)力也得到了充分的發(fā)揮。對于剛度特征這樣一個同時與框架的剛度和剪力墻的剛度有關(guān)的參數(shù)，其值的大小嚴(yán)重影響著框架剪力墻結(jié)構(gòu)的變形和受力等。如果結(jié)構(gòu)具有較好的剛度退化系數(shù)和適當(dāng)?shù)膶娱g位移轉(zhuǎn)角，那么框架剪力墻結(jié)構(gòu)的彈塑性能就能被更好的表現(xiàn)出來。

2.5基礎(chǔ)方案與承重構(gòu)件設(shè)計

在對剪力墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案進(jìn)行設(shè)計的時候，對于設(shè)計人員而言，必須到現(xiàn)場去考察，結(jié)合水文地質(zhì)條件以及工程項目地址，應(yīng)該進(jìn)行合理的規(guī)劃，尤其是那些可能出現(xiàn)安全以及質(zhì)量問題的地方，一定要及時地進(jìn)行處理，這樣基礎(chǔ)方案就可以很好地發(fā)揮其作用。與此同時設(shè)計人員要充分結(jié)合自己的工作經(jīng)驗來修訂以及整改基礎(chǔ)方案，確保剪力墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案能夠符合國家的相關(guān)規(guī)定，最終促使高層建筑施工得以順利完工。

3　剪力墻在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

3.1工程概況

廣州市某工程，負(fù)責(zé)改建工程東一區(qū)3#、4#塔式住宅樓，標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.7m，出屋面水箱間及電梯機(jī)房，層高分別為2.2m及3.6m，這個建筑的室內(nèi)外的高度之差達(dá)到0.3m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5m，建筑的總體高度是98.90m。顯然屬于A級高層建筑物（根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》）。風(fēng)荷載取值為0.30kN/m2，風(fēng)荷載計算一般都按照基本風(fēng)壓的1.1倍采用。該建筑物的特點是：該建筑的樓板有部分不連續(xù)的現(xiàn)象出現(xiàn)在主要的樓板中間，可能發(fā)生突變的豎向立面尺寸和平面不規(guī)則性，例如平面疊合面積小于較小邊25%等以及豎向不規(guī)則性（2）按50年設(shè)計基準(zhǔn)期、超越概率63%的多遇地震作用（俗稱小震），采用的辦法分別為SATWE、ETABS用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行線彈性分析。建筑物的構(gòu)件斷面尺寸和配筋必須根據(jù)“抗規(guī)”和“高規(guī)”規(guī)定的荷載組合來進(jìn)行估算。

3.2剪力墻部分的布置

這個工程具有非常大的抗側(cè)力剛度，而剛度要取決于樓層上板的連接、洞口的大小、連梁的形式、墻體的分布等很多因素。剪力墻沿著高度方向變截面，這樣就使剛度可以均勻地發(fā)生變化，上層和下層的剪力墻軸線重合，這樣就使得應(yīng)力傳遞變得非常合理。充分發(fā)揮剪力墻效率最好的方法就是應(yīng)該把剪力墻進(jìn)行集中布置，并且形成一核心筒。要使用軟件準(zhǔn)確地把核心筒的剛度計算出來。該工程多次進(jìn)行調(diào)整以后，使平面以及豎向布置非常理想，其主要的技術(shù)指標(biāo)如下：①荷載形心的坐標(biāo)是x=17，Y= 16.60；②標(biāo)準(zhǔn)層的形心坐標(biāo)為X=16.65，Y=16.65；③總重量為434168kN。荷載的中心和平面的中心基本可以重合，平面的形狀非常規(guī)則，而且構(gòu)件布置非常均勻；兩個形心之間的距離是e/l= 1.6%，e=0.45。

4　結(jié)束語

綜上所述，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項非常重要的工作，做好這一項工作對于提升人們的生活水平具有重要意義。關(guān)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)等抗震設(shè)計國內(nèi)外專家和學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，其成果在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中也得到了應(yīng)用。在建筑結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，必須把每一個方面的影響因素以及相關(guān)的制約條件考慮到，與此同時要充分結(jié)合結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大以及外觀簡潔等優(yōu)點來進(jìn)行，最終降低了工程造價，從而促進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的不斷優(yōu)化。

[1]蔣耀勤.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)剪力墻結(jié)構(gòu)的運用分析[J].江西建材，2015（01）：11～12.

[2]黃長城，方林，金國芳.某不規(guī)則鋼框架結(jié)構(gòu)房屋抗震性能分析研究.結(jié)構(gòu)工程師，2015（01）：17～18.

[3]何認(rèn)雄.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)問題的探討[J].江西建材，2015（01）：21～23.

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2015-1-20