板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

林隆煜

【摘 要】剪力墻結(jié)構(gòu)具備整體性好、剛度大、抗震性能優(yōu)秀、抗側(cè)向變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，這就使得其廣泛應(yīng)用于我國高層住宅建筑領(lǐng)域，基于此，本文簡單分析了板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合實(shí)例就設(shè)計(jì)開展了詳細(xì)論述，希望論述內(nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定啟發(fā)。

【關(guān)鍵字】板式住宅；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；剪力墻；高層建筑

中圖分類號(hào)： TU973.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）32-0206-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.096

【Abstract】the shear wall structure has the characteristics of good integrity， high stiffness， excellent seismic performance， strong lateral deformation resistance and so on， which makes it widely used in the field of high-rise residential buildings in China， based on this. This paper simply analyzes the principle of the optimum design of shear wall structure of high rise building of slab residential building， and discusses the design in detail in combination with an example， hoping that the content of the discussion can bring some inspiration to the relevant people in the field.

【Key words】Plate house； Structural optimization design； Shear wall； High-rise building

0 前言

近年來建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的受關(guān)注程度不斷提升，這是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠在保證建筑安全、技術(shù)可行前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效果的最優(yōu)，但在筆者的實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，專業(yè)配合意識(shí)、成本意識(shí)淡薄情況廣泛存于我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域，而為了盡可能改變這一現(xiàn)狀，正是本文圍繞板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)開展具體研究的原因所在。

1 板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

1.1 基本原則

在板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須保證剪力墻結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能、充分發(fā)揮自身抵抗水平荷載的能力，同時(shí)還需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)保證板式住宅高層建筑的造價(jià)更為經(jīng)濟(jì)合理，由此即可開展針對(duì)性較強(qiáng)的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)路徑

剪力墻的合理數(shù)量及適宜剛度選擇、墻肢長度差異控制、短肢墻中水平分布鋼筋與箍筋的合并、開洞的合理處理、減少墻肢和短肢墻數(shù)量等屬于最為基本的板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化路徑，以其中的剪力墻合理數(shù)量及適宜剛度選擇為例，設(shè)計(jì)人員需嚴(yán)格遵循《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ-2010）要求，并重點(diǎn)關(guān)注剪力墻的水平位移與地震力控制，即可真正實(shí)現(xiàn)高水平的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1]。

2 板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)例分析

2.1工程概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文選擇了某地高層住宅小區(qū)#1樓剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，該建筑的總建筑面積、總層數(shù)、總高度分別為13980m2、31層、89.9m，地上30層，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，地面粗糙為B類，屬于Ⅱ類場(chǎng)地且特征周期為0.35s，水平地震影響系數(shù)最大值、基本風(fēng)壓分別為0.16與0.40kN/m2，原設(shè)計(jì)基于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2001）確定了樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)壓體形系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)布置方案

在研究對(duì)象板式住宅高層建筑平面布置中，其在布置上沒有大的內(nèi)收外挑情況，地上30層平面布置一致，而豎向剛度的變化主要體現(xiàn)在混凝土強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件截面尺寸的分段改變方面，但改變的次數(shù)不宜過多，而從結(jié)構(gòu)受力角度分析不難發(fā)現(xiàn)，改變的次數(shù)較少會(huì)導(dǎo)致變化過大，并最終引起剛度突變，因此采用了將混凝土強(qiáng)度降低與構(gòu)件截面尺寸減小按樓層錯(cuò)開，同層同時(shí)改變引起的剛度突變由此得以避免。此外，設(shè)計(jì)中建筑1～14層、15～30層梁、板的混凝土強(qiáng)度分別為C35與C30，而1～7層、8～19層、20～30層墻、柱的混凝土強(qiáng)度分別為C40、C35、C30，1～5層、6～13層、14～31層的墻厚分別為300mm、250mm、200mm。

基于上述分析，板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先提出了6個(gè)結(jié)構(gòu)布置方案，每個(gè)方案均建立在前一個(gè)方案的基礎(chǔ)上，圖1為方案6示意圖。方案6將標(biāo)準(zhǔn)層1～3層剪力墻的厚度調(diào)整為250mm，并通過調(diào)整剪力墻布置實(shí)現(xiàn)了X、Y方向的剛度接近。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)取值

混凝土容重、鋼材容重分別為26.5kN/m3、78.0kN/m3，建筑各處主筋與箍筋、墻分布筋、邊緣構(gòu)件箍筋的強(qiáng)度均取360N/mm2，取18個(gè)振型組合數(shù)，連梁剛度折減系數(shù)、活荷載質(zhì)量折減系數(shù)、周期折減系數(shù)、結(jié)構(gòu)的阻尼比、結(jié)構(gòu)的特征周期分別取0.55、0.5、0.9、0.05、0.35s，多遇地震影響系數(shù)與罕遇地震影響系數(shù)的最大值分別取0.16和0.9[2]。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)比分析

采用PKPM系列軟件的SATWE模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)比分析，由此圍繞樓層側(cè)移剛度、樓層層間位移角、地震反應(yīng)力和剪重比、周期比等進(jìn)行對(duì)比，即可發(fā)現(xiàn)方案6在結(jié)構(gòu)剛度、地震剪力、層間位移角、周期比等層面均具備顯著優(yōu)勢(shì)，因此選擇了方案6作為最優(yōu)方案。

2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)材料用量建議值

為更直觀展示方案6（高寬比為6.1）的優(yōu)勢(shì)，還需要圍繞6個(gè)方案的混凝土用量、鋼筋用量展開分析，而通過模擬計(jì)算，可確定方案1～方案6的單位混凝土用量分別為0.4423m3/m2、0.4057m3/m2、0.4057m3/m2、0.4354m3/m2、0.4127m3/m2、0.4025m3/m2，總用鋼量則分別為45.8855kg/m2、45.4810kg/m2、45.4810kg/m2、47.3191kg/m2、45.1820kg/m2、44.3069kg/m2，可見方案6在混凝土用量、總用鋼量層面均具備顯著優(yōu)勢(shì)。

2.6 高寬比影響分析

基于方案6，將研究對(duì)象高層建筑的層數(shù)分別調(diào)整為22層、25層、28層，對(duì)應(yīng)的高寬比分別為4.5、5.1、5.7，即可開展變化層數(shù)改變高寬比的影響分析，分析主要圍繞高寬比與混凝土用量關(guān)系、高寬比與鋼筋用量關(guān)系展開，由此可確定高寬比增加使得混凝土用量呈線性增大，鋼筋用量則呈現(xiàn)先快后慢的增大；基于方案6，將部分房間尺寸分別增加600mm、900mm，開展高寬比與混凝土用量關(guān)系、高寬比與鋼筋用量關(guān)系對(duì)比，可確定高寬比的增加混凝土用量與鋼筋用量均存在線性增大趨勢(shì)。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，高寬比影響的出現(xiàn)可能源于配筋量增多、鋼量影響較小等因素的影響，這些必須在板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到重視。

3 結(jié)論

綜上所述，板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具備較高現(xiàn)實(shí)意義，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的結(jié)構(gòu)布置方案、設(shè)計(jì)參數(shù)取值、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)比分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)材料用量建議值、高寬比影響分析等內(nèi)容，則提供了可行性較高的優(yōu)化設(shè)計(jì)路徑，而為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)水平，高寬比改變影響、相關(guān)原則遵循必須得到重視。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅軍.廈門杏林灣超高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].福建建筑，2015（02）：43-46+60.

[2]劉康.預(yù)制裝配式混凝土建筑在住宅產(chǎn)業(yè)化中的發(fā)展及前景[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2015，42（01）：7-15.