剪力墻設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用分析

摘要：因剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑施工中得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行分析，使剪力墻設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的建筑行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，同時(shí)高層建筑施工項(xiàng)目也呈不斷上升趨勢(shì)。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用剪力墻結(jié)構(gòu)，如何有效保證高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化的最終目的，也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師不斷深入研究的課題。

1剪力墻結(jié)構(gòu)的概念及結(jié)構(gòu)能效

剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑的主要承載部分，并且還是承擔(dān)地震、風(fēng)等傳遞水平載荷導(dǎo)致的軸力、剪力以及彎矩等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)也是建筑的分隔墻和圍護(hù)墻，所以在布置剪力墻的過程中，應(yīng)該滿足建筑物的結(jié)構(gòu)布局和平面布局，剪力墻結(jié)構(gòu)的開間相對(duì)較小，高層建筑的樓層蓋板通常選用現(xiàn)澆的混凝土結(jié)構(gòu)平板，這樣，其空間結(jié)構(gòu)的利用率更高，能夠有效節(jié)約建筑的層高。剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性和空間作用都非常好，并且具有很強(qiáng)的承載性能和抗側(cè)力性能，因此，許多高層建筑都采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

2剪力墻運(yùn)用的基本原則

剪力墻結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)良的性能，但也要依據(jù)一定的原則。因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)的剛度不是越大越好，也不是數(shù)量越多越好，一味的增加結(jié)構(gòu)剛度會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性作用將降低，從而降低抗震性能。所以在設(shè)計(jì)中必須考慮剪力墻設(shè)計(jì)的基本原則，這樣才能保證其功能發(fā)揮。

2.1數(shù)量控制

剪力墻在結(jié)構(gòu)中整體性較好，具有較大的剛度且水平位移小，可以最大限度的滿足結(jié)構(gòu)的性能需求。近些年高層建筑以及住宅都選擇了剪力墻結(jié)構(gòu)作為其主要的承載系統(tǒng)。但是在工程中設(shè)計(jì)人員會(huì)按照經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際情況分析選擇剪力墻的應(yīng)用形式和數(shù)量等。其中數(shù)量選擇就成為一個(gè)重要的基本原則。設(shè)計(jì)工程師如果安排過多的剪力墻則會(huì)導(dǎo)致其不能充分發(fā)揮其真正的作用，反而為成本支出背上不必要的負(fù)擔(dān)。所以對(duì)剪力墻的數(shù)量選擇是工程實(shí)踐的重要原則之一，選擇數(shù)量的時(shí)候應(yīng)注意對(duì)建立起的自重以及短肢剪力墻的剛度進(jìn)行分析，控制最小剪力系數(shù)，以此控制剪力墻的合理數(shù)量。

2.2樓層間剪力控制

剪力墻在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮樓層之間的最小剪力系數(shù)。在施工中要求降低房屋的自重，且保證建筑的抗震性能。由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對(duì)較小，設(shè)計(jì)時(shí)宜布置適當(dāng)數(shù)量的長(zhǎng)墻，或利用電梯，樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，同時(shí)也形成兩道抗震設(shè)防。在基礎(chǔ)上對(duì)剪力墻進(jìn)行大開間的處理，讓剪力墻的側(cè)向剛度增加。這樣才能合理的控制工程的成本支出。

2.3剪力墻連梁超限調(diào)整

剪力墻在建筑應(yīng)用中，其設(shè)計(jì)的要求是剪力墻跨高比例在一定范圍內(nèi)進(jìn)行總體規(guī)劃。如果跨高比例小于2.5則容易出現(xiàn)一種剪力墻和彎矩超過規(guī)定的情況，即超限。所以剪力墻在設(shè)計(jì)中基本應(yīng)遵照剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁跨高比小于2.5的基本原則、但是應(yīng)注意的是剪力墻獲的連梁跨高比例不是越大越好。例如：某工程中保證了剪力墻剛度固定的原則，設(shè)計(jì)時(shí)選擇剪力墻的連梁跨高比為5-6之間，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)其剪力或者彎矩都會(huì)出現(xiàn)超限的情況。而這樣的選擇直接導(dǎo)致剪力墻設(shè)計(jì)出現(xiàn)了不滿足實(shí)際需求的情況。所采用的克服措施是剪力墻的連梁跨高比超過5的時(shí)候，剪力墻就應(yīng)選擇框架梁進(jìn)行調(diào)整，以此滿足建筑設(shè)計(jì)的基本需求。

3剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1工程概況

本文以某高層建筑為例，該高層建筑總共16層，還有2層地下室，總建筑面積為1.075×105 m2。該高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)表現(xiàn)為：地下層以及1層的剪力墻厚度為250 mm，2層以及2層以上的外墻為200 mm，內(nèi)墻為180 mm。原設(shè)計(jì)方案中，其剪力墻結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角為1/2 376，Y方向的最大位移角為1/1 623.通過對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，剪力墻結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角降低至1/1 901，Y方向的最大位移角降低至1/1 417，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，不但提高了高層剪力墻結(jié)構(gòu)以及整體建筑的穩(wěn)定性，還節(jié)約了大量的梁、板、墻等的鋼筋以及混凝土的用量，顯著地降低了建筑成本，具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。

3.2高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1高層剪力墻結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案多種多樣，在選擇高層剪力墻結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)該選擇正確的建筑結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)件需要的材料。層數(shù)低于20層時(shí)，通常采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的水平地震剪力、周期和位移等都能夠被控制在合理的范圍內(nèi)，并采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，合理地將鋼筋混凝土墻置換成砌體或者磚墻，這樣不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度，減輕結(jié)構(gòu)的自重，還能夠有效降低工程成本。對(duì)于層數(shù)超過20層的建筑，如果采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)較軟，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移以及層間位移就不能夠滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，并且剪力系數(shù)較低，影響建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，因此，采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)方案，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算值偏大時(shí)，可以在較大的墻肢上增設(shè)結(jié)構(gòu)洞，并將窗臺(tái)改設(shè)為磚或者砌體等進(jìn)行微調(diào)，這樣能夠增加結(jié)構(gòu)的延性，提高剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

3.2.2剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該選擇質(zhì)量好的鋼筋，并且鋼筋材料在進(jìn)場(chǎng)之前，應(yīng)該檢查其是否具備生產(chǎn)許可證、合格證以及其他相關(guān)的證明資料。只有檢查合格之后才允許材料進(jìn)場(chǎng)，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋通常要求將豎向鋼筋放置在內(nèi)側(cè)，水平鋼筋設(shè)置在外側(cè)。由于地下部分墻體配筋相對(duì)較多，并且土壓力和水壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力相對(duì)較大，可以將地下建立墻結(jié)構(gòu)墻體的豎向鋼筋設(shè)置在外側(cè)，將水平鋼筋設(shè)置在外側(cè)，配筋滿足規(guī)范建議以及相應(yīng)工程計(jì)算的最小配筋率即可。這種根據(jù)高層建筑實(shí)際狀況的剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠顯著地降低墻體配筋用量，降低工程成本。

3.3剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定，跨高比超過5的連梁應(yīng)該根據(jù)框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是說跨高比超過5的連梁，其剛度不能折減，但跨高比在5～6之間的連梁，如果剛度不折減，就很容易出現(xiàn)剪力超限的問題，并且還會(huì)造成工程成本的浪費(fèi)。使連梁跨高比變成超過6的框架梁，能夠顯著降低混凝土以及鋼筋的用量，降低工程成本。

3.4層間層高比和最大位移的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)的規(guī)定，在計(jì)算多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層最大的彈性層間位移時(shí)，除了以彎曲變形為主的高層建筑之外，通常不扣除結(jié)構(gòu)整體彎矩變形，并計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形。因此，對(duì)于高層建筑來(lái)說，重點(diǎn)應(yīng)該控制樓層間的扭轉(zhuǎn)變形和剪切變形。通過控制豎向構(gòu)件的數(shù)量能夠控制剪切變形，單數(shù)豎向構(gòu)件如果布置得不合理，同樣會(huì)造成較大的扭轉(zhuǎn)變形，因此，在高層建筑中，應(yīng)該盡可能地降低扭轉(zhuǎn)變形，不能不經(jīng)過分析就隨意增加豎向構(gòu)件的剛度。

4結(jié)束語(yǔ)

總之，當(dāng)高層剪力墻的設(shè)計(jì)存在缺陷時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響到剪力墻結(jié)構(gòu)和整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，因此，高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。通過分析高層建筑的實(shí)際狀況，并根據(jù)相關(guān)的規(guī)定對(duì)高層剪力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能夠顯著地提高高層剪力墻結(jié)構(gòu)和整個(gè)建筑的穩(wěn)定性，還能夠顯著地降低工程成本，對(duì)促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展具有非常重要的作用。

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