高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

劉福旺

（廣州市城市更新規(guī)劃研究院）

1 引言

目前隨著我國城市建設(shè)快速發(fā)展，新建高層建筑越來越多，為滿足抗震等多方面的要求，新的結(jié)構(gòu)形式不斷發(fā)展，其中剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛用于高層住宅。剪力墻結(jié)構(gòu)由縱、橫鋼筋混凝土墻承受豎向荷載、抵抗側(cè)向力，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可獲得良好的抗震性能，可避免在室內(nèi)露出梁柱，確保建筑美觀、使用方便。加強(qiáng)高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)概念分析

混凝土剪力墻是一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻體，利用建筑外墻和內(nèi)墻隔墻位置布置。側(cè)向力在墻體中產(chǎn)生水平剪力和彎矩，豎向荷載在墻體中產(chǎn)生向下的壓力。這種墻體具有承受水平力（水平剪力）的較強(qiáng)能力，因此被稱為剪力墻。剪力墻的高度一般與整個(gè)建筑物的高度相同，從地基到屋頂。在立面上，剪力墻常被開動，因?yàn)榻ㄖ镆?jīng)常開門開窗，通過管道。此時(shí)，應(yīng)盡量將洞口上下對齊，排列規(guī)則，使洞與相鄰洞之間形成墻肢，在上下洞之間形成橫梁。采用規(guī)則開孔的剪力墻布置配筋容易，效果明顯，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。但是錯(cuò)孔剪力墻往往比較復(fù)雜，在孔邊容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。地震容易被地震破壞，無法充分發(fā)揮鋼筋的作用。

3 分析高層建筑結(jié)構(gòu)受力

水平以及垂直方向的外力是高層建筑的主要受力。多層建筑由于其高度和寬度相對較小，平面尺寸較大，結(jié)構(gòu)高度較低，受到地震影響也相對較小，因此，在多層建筑中，主要考慮的是如何抵抗垂直的負(fù)荷。但是，建筑物高度的增加的同時(shí)，建筑物的應(yīng)力特性也在逐漸改變。在設(shè)計(jì)中，主要考慮垂直荷載、側(cè)向荷載、結(jié)構(gòu)延性等。

3.1 垂直載荷

豎向荷載由靜豎向荷載和活豎向荷載組成，對建筑物的質(zhì)量與安全性影響巨大，是高層建筑的基本荷載。靜荷載有結(jié)構(gòu)荷載和各種附屬于建筑物的永久荷載構(gòu)成，這其中結(jié)構(gòu)荷載是主要部分，約占到靜荷載總量的60～80%?；詈奢d是指建筑物中人員、家具等能夠改變和移動的物體造成的非永久荷載。高層建筑墻柱的軸力與建筑物的高度成正比，由此，由于高度的增加，建筑層數(shù)越多，對于底層墻、柱的壓力就越大，因而要重視由此產(chǎn)生的地基沉降效應(yīng)以及壓力變形。

3.2 側(cè)向負(fù)載

對于高層建筑，某一高度范圍內(nèi)的豎向荷載基本固定，但地震和風(fēng)荷載作用下的側(cè)向荷載值會與建筑結(jié)構(gòu)的動力特性產(chǎn)生較大差異的影響和變化。

3.3 結(jié)構(gòu)延性

與多層建筑相比，高層建筑遇到地震時(shí)的變形要大得多。因而一定要采取一定的措施來確保結(jié)構(gòu)延性，以此來保證高層建筑物在塑性變形階段仍然具有很強(qiáng)的變形能力。箍筋約束法就是行之有效的方法，箍筋約束是近年來研究最多的問題。據(jù)調(diào)查，許多建筑由于箍筋不足或失效而被地震作用破壞。增加箍筋、提高箍筋率可以提高墻體柱的延性和抗震性能，并通過大量的試驗(yàn)和震害案例進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.4 側(cè)向位移

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的控制。此外，隨著建筑高度的逐漸增加，結(jié)構(gòu)在側(cè)向位移作用下的形變會隨著建筑高度的增加而迅速增加。為保證結(jié)構(gòu)的安全與使用的舒適，必須嚴(yán)格控制橫向荷載作用下發(fā)生的側(cè)向位移。這個(gè)控制的實(shí)質(zhì)就是對于結(jié)構(gòu)截面以及剛度的控制，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)規(guī)范的要求調(diào)整豎向構(gòu)件（柱，墻）的面積和布置，然后進(jìn)行抗震驗(yàn)算。若是不符合規(guī)范，需要繼續(xù)調(diào)整。

4 高層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

4.1 底層框架柱布置

如果采用底部框架剪力墻的結(jié)構(gòu)，底部轉(zhuǎn)換柱的柱距不能夠太大，8m以內(nèi)是比較好的控制，為了盡量避免二次轉(zhuǎn)換，最多只能夠在一根框架梁上設(shè)置一扇非落地的剪力墻。在功能方面，底部框架剪力墻的民用建筑大多是商業(yè)建筑，上部結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)開間，無論上層建筑用于辦公或住宅，其上部結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的開建的尺寸都能夠滿足這個(gè)使用功能。同時(shí)，考慮到大框架梁的高度一般為梁跨的1/8～1/5，如果柱間距過大，則梁截面及其配筋率將超過極限，也很容易出現(xiàn)梁的剪力、彎矩超限，造成嚴(yán)重的安全隱患。

4.2 連梁設(shè)計(jì)

作為一件耗能構(gòu)件，如果剪力墻連梁被剪切破壞，就會對于建筑物的防震抗震非常不利，并且大大降低結(jié)構(gòu)的延性。因此要非常重視對于連梁的強(qiáng)剪弱彎計(jì)算，以保證連梁的剪切破壞晚于彎曲破壞。一定不能人為加大連梁的縱筋，這會導(dǎo)致難以滿足連梁強(qiáng)剪弱彎的要求。同時(shí)也不能一味的增加箍筋，如果連梁的結(jié)構(gòu)控制條件沒有被滿足，盲目的提高箍筋率會導(dǎo)致剪切破壞發(fā)生在箍筋尚未產(chǎn)生作用之前。而針對連梁截面的抗剪計(jì)算，對于那些跨髙比大于2.5的連梁，把它的剪力設(shè)計(jì)值乘以增大系數(shù)是必須的。

4.3 長墻肢的處理

髙層建筑剪力墻的結(jié)構(gòu)還必須具備足夠的展延性，特別是對于具有細(xì)高形狀的剪力墻，即具有較好的延性和彎曲破壞性能，從而可以避免脆性剪切破壞。然而，在長墻肢的情況下，為了滿足每個(gè)壁的每個(gè)截面的高度與寬度之比都超過二，就需要采用開洞的方法，以此來把長墻分割，稱為一段段小而均勻的墻段。另外，當(dāng)墻體截面長度較小時(shí)，由于彎曲引起的裂縫寬度相對較小，因此可以充分發(fā)揮箍筋對于剪力墻的加固效果。

4.4 混凝土剪力墻鋼含量合理設(shè)計(jì)

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是既有鋼結(jié)構(gòu)重量輕，抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，也有混凝土結(jié)構(gòu)剛度大，防火性能好，成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以近年來高層建筑結(jié)構(gòu)得到了迅速發(fā)展。對于普通住宅建筑而言，其用鋼量一般如下：①多層砌體住宅：鋼筋 30kg/m2；②多層框架：鋼筋 38～42kg/m2；③小高層 11～12層：鋼筋 50～52kg/m2；④高層 17～18 層：鋼筋 54～60kg/m2；⑤高層：30 層H＞94m：鋼筋65～75kg/m2；⑥高層酒店式公寓28層H＞90m：鋼筋65～70kg/m2。設(shè)計(jì)應(yīng)該根據(jù)建筑類型合理設(shè)計(jì)合乎規(guī)范，經(jīng)濟(jì)的混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)建筑物。

5 結(jié)論

總之，高層建筑混凝土剪力墻通常用于住宅建筑。優(yōu)化其結(jié)構(gòu)非常重要。有必要確保住房的安全系數(shù)并節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。本文分析了高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)概念，高層建筑的受力分析，混凝土剪力墻的豎向優(yōu)化設(shè)計(jì)，鋼筋混凝土剪力，高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。通過合理的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)，概念優(yōu)化，設(shè)計(jì)出安全、經(jīng)濟(jì)、適用的建筑，使建筑物節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境并降低成本。

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