論高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

熊思虎

湖南省第四工程有限公司設(shè)計分公司

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論高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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湖南省第四工程有限公司設(shè)計分公司

本文通過實際工程案例，對于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行具體研究，同時提出了部分優(yōu)化措施，以供參考。

高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

前言

隨著城市化的迅速發(fā)展，人們對于住房要求也越來越高。為滿足如此龐大數(shù)量的居民住房，住宅建筑往往趨于高層，但對于建筑水平要求極高的高層建筑涉及到多種技術(shù)方面的問題。如何對于高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，就是其中的一個研究重點。

1 工程概況

某建筑B1#住宅樓：總建筑面積5011m2，建筑物長44.2m，寬12.0m，房屋總高度為31.2m。本建筑地下一層，層高為3.9m；地上十層，地上一層層高4.2m，以上每層層高均為3.0m。本工程抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計地震加速度為0.2g，設(shè)計地震分組為第一組；剪力墻抗震等級為二級，建筑物安全等級為二級；場地土類別為Ⅱ類，場地土不考慮液化、無濕陷。

2 剪力墻布置

①剪力墻宜簡單、規(guī)則，沿兩個方向雙向布置，兩個方向的剛度不宜相差太大，以控制扭轉(zhuǎn)的不利影響。②剪力墻不宜過長，較長的剪力墻應(yīng)開設(shè)洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段用弱連梁連接，且墻長不宜大于8m。③先在建筑外墻周圈和樓梯或電梯井筒部位布置剪力墻，門窗洞口宜上下對齊，成列布置，避免形成錯洞墻使剪力墻上下傳力不連續(xù)而產(chǎn)生剛度突變。④剪力墻根據(jù)房間布局沿兩個軸線方向布置成T型、L型、十字形。⑤剪力墻厚度的確定：剪力墻的底部加強區(qū)的高度取底部兩層（4.2+3.0=7.2m）和墻體總高度的1/10（31.2/10=3.1m）的二者的較大值，故底部加強區(qū)的高度取7.2m。因本工程為二級剪力墻，根據(jù)規(guī)范構(gòu)造要求底部加強部位的厚度取200mm，以上部分取200mm。⑥通過以上分析，得出第一次剪力墻布置，并在PKPM中輸入?yún)?shù)建模，進行內(nèi)力計算得出以下數(shù)據(jù)：

a.位移比：最大層間位移角X方向最大層間位移角：1/1567（1/1000規(guī)范限值）；Y方向最大層間位移角：1/1005（1/1000規(guī)范限值）；最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值；X方向最大位移與層平均位移的比值：1.02（1.2規(guī)范限值）Y方向最大位移與層平均位移的比值：1.28（1.2規(guī)范限值）；X方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.01（1.2規(guī)范限值）Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.32（1.2規(guī)范限值）。

b.周期比：結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Ta=0.9238；結(jié)構(gòu)以平動為主的第一自振周期Tb=1.0059。

c.從以上數(shù)據(jù)顯示，《高規(guī)》第3.4.5條規(guī)定最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值，A級高度高層建筑分別不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5。以上數(shù)據(jù)不滿足要求。這說明結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，質(zhì)量與剛度產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)，應(yīng)調(diào)整抗測力結(jié)構(gòu)布置，使其分布均勻。從以上位移角數(shù)值可見，X向最大層間位移角為1/1567＜1/1000，這雖然滿足了規(guī)范要求，但比規(guī)范限值1/1000的要求小很多，說明X向剪力墻布置較多、剛度較大，應(yīng)適當(dāng)減少墻體數(shù)量或縮短墻肢長度來削弱其剛度。

d.從軸壓比來看，在地下室（1-9）軸、（1-11）軸與（1-A）軸相交的剪力墻軸壓比為0.63、0.62，大于規(guī)范規(guī)定的0.6的限值。在X向受建筑平立面的局限，不能加大墻肢長度，只能提高混凝土標(biāo)號或把地下一層墻體的厚度加大。剪力墻在結(jié)構(gòu)中布置比較靈活，可調(diào)整性大，從而導(dǎo)致有不同的計算結(jié)果，剪力墻布置應(yīng)在滿足規(guī)范要求的前提下，最終經(jīng)過位移比、周期比、軸壓比等各項指標(biāo)控制，得出經(jīng)濟合理的布置方案。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施

根據(jù)上述工程的布設(shè)以及施工來看，要想進一步優(yōu)化高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以按照以下幾個方面的措施進行：

3.1 優(yōu)化墻體的配筋設(shè)計

關(guān)于墻體配筋在剪力墻結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計，第一步要做的工作就是選擇優(yōu)質(zhì)的材料，其中鋼筋材料的選擇是重中之重，需要檢查鋼筋的各種合格證明，這是鋼筋進場前的首要工作，符合要求的鋼筋才可以進入施工場地。剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋大多數(shù)需要把垂直鋼筋安置在里面，水平鋼筋安置在外面，這是因為地底下的墻體配筋相對于其他部分較多，而且地下水壓和土壓造成的壓力較強，剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋通常符合建議標(biāo)準(zhǔn)和工程測算的最小配筋率即可。依據(jù)實際現(xiàn)狀制定的剪力墻優(yōu)化設(shè)計能夠較好的減少投資成本。對剪力墻厚度的選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結(jié)構(gòu)計算要求的前提下也可采用180mm或160mm剪力墻。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的優(yōu)化設(shè)計

相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中明確提出，如果連梁的跨高比大于5的時候，就需要按照框架梁的要求展開設(shè)計，這也就是表示，跨高比大于5的連梁，它的剛度不可以減少，然而當(dāng)連梁的跨高比在5～6時，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大的情況，使得建設(shè)工程的成本增加，浪費資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可以明顯的減少鋼筋與混凝土的使用量，有效的減少投資成本。

3.3 層間位移比和最大位移的優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)規(guī)定，在核算常遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值造成的樓層最大的彈性層間位移時，把高層變形建筑物排除以外，大多數(shù)不扣除整個結(jié)構(gòu)的彎矩變形，同時算入扭轉(zhuǎn)變形。所以，以高層建筑為例，首要的任務(wù)是制止樓層間和剪切變形。根據(jù)制約的垂直構(gòu)件數(shù)量可以制約剪切變形，一旦單數(shù)構(gòu)件布置的不科學(xué)，一樣能產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)變形，所以，高層建筑需要最大可能的減少扭轉(zhuǎn)變形，不可以隨意增設(shè)構(gòu)件的剛度。

3.4 加強剪力墻結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計

高層剪力墻結(jié)構(gòu)的均衡設(shè)計需要工作人員使用合理的對策，促進剪力墻結(jié)構(gòu)的受力平均，這不僅僅可以提高工程的安全性能和結(jié)構(gòu)的合理性，而且還可以節(jié)約高層建筑的造價成本。剪力墻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計需要工作人員依據(jù)建筑物的平面布局狀況來實現(xiàn)，設(shè)計人員分析各種情況，得出剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方案，這包括設(shè)計人員依據(jù)施工場地的現(xiàn)狀，設(shè)計出科學(xué)合理的剪力墻結(jié)構(gòu)，在設(shè)計人員設(shè)計好剪力墻結(jié)構(gòu)方案的同時還要制定出符合設(shè)計要求的管理條例，加強對剪力墻結(jié)構(gòu)的檢查和監(jiān)督，增強施工人員的安全意識和管理團隊的科學(xué)管理水平，保證施工人員嚴(yán)格按照設(shè)計方案和施工圖紙進行施工，保障施工的質(zhì)量，特別是剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

總之，在剪力墻設(shè)計過程中，各個環(huán)節(jié)的要素都應(yīng)當(dāng)注意，我們應(yīng)該合理確定各項設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，切實落實具體設(shè)計執(zhí)行的優(yōu)化措施，確保每一項工程的安全合理性和經(jīng)濟適用性，在滿足設(shè)計需要的同時，有效改善人類的居住環(huán)境。

［1］李凱.高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施研究［J］.房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2015（3）：125-125