談高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)布置及優(yōu)化

羅 海 燕

(晉城市建筑設(shè)計院，山西 晉城 048000)

0 引言

隨著我國人口的不斷增加，人均占地面積逐漸減少，建筑建設(shè)趨于高層化，尤其是在現(xiàn)代化城市中，各類高層建筑物已成為城市的標志物，比如說上海的環(huán)球金融中心，紐約的帝國大廈。根據(jù)1972年世界高層建筑委員會制定的標準，高層建筑物的定義是指大于9層的建筑物，而在我國，高層建筑物是指不少于10層的住宅建筑或超過24 m的其他民用建筑物[1]。高層住宅的實際面積比較大，功能性強，但是抗風險能力比較低，因此必須加強建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，而剪力墻結(jié)構(gòu)作為新型的建筑承重主結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑承載力、抗震性能等的主要影響因子，同時也會影響到建筑的使用年限和使用安全性，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點內(nèi)容。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

剪力墻結(jié)構(gòu)是一種鋼筋混凝土墻板，是整體建筑的主承重結(jié)構(gòu)，是用來承受地震作用或風載荷所引起的水平載荷的墻體，具有承擔建筑縱向橫向作用力、分割空間的作用，它的結(jié)構(gòu)和大小都是可以依據(jù)建筑強度和抗壓性的需求來改變的。一般來說，剪力墻結(jié)構(gòu)具有自身平面內(nèi)較大的抗側(cè)移剛度，以及平面外的較小剛度，因為這一結(jié)構(gòu)特點，所以該墻體結(jié)構(gòu)能夠承受住大部分建筑主體所給予的水平剪力，因此被稱為剪力墻。剪力墻取代了傳統(tǒng)建筑中梁柱的位置，主要由鋼筋混凝土制成，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效控制建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力，保證建筑的剛性和韌性[2]。

根據(jù)剪力墻是否開洞以及洞口尺寸的大小，可將剪力墻分為以下4種類型：

1)實體墻，即截面墻體沒有開洞的剪力墻，或者是截面墻體所開洞口面積低于15%墻體面積的剪力墻，具有承受能力強的優(yōu)點；

2)整體上小開口的剪力墻，即洞口面積占整個墻體面積的比例低于15%的剪力墻結(jié)構(gòu)，為彎曲型變形結(jié)構(gòu)，有可能會發(fā)生突變；

3)多肢剪力墻，即開動面積較大或洞口呈列狀分布的剪力墻，彎矩圖處不會發(fā)生異常突變，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定；

4)壁式框架剪力墻，即開洞尺寸較大的剪力墻，這類墻體墻肢線上、墻體連梁線上的剛度非常接近，為剪切型變形結(jié)構(gòu)，其受力特點與框架結(jié)構(gòu)類似[3]。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則

2.1 合理設(shè)置剪力墻筒體

在進行剪力墻結(jié)構(gòu)的布置時，需要考慮的要素比較多，比如說墻體的勻稱性與對稱性，比如說結(jié)構(gòu)重量與剛強度的垂直性，要保持上述要素符合設(shè)計規(guī)范，就必須合理規(guī)劃墻體，注意規(guī)劃墻體的主軸路線。在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常需要在電梯間布置剪力墻并連接成筒體，這樣能夠提高墻體間的水平力傳遞效率。在布置這種筒體時，應(yīng)該盡量增加外部墻體的布設(shè)數(shù)量，而內(nèi)部墻體可適當減少，或者是減小厚度，因為在筒體中內(nèi)部墻體結(jié)構(gòu)作用微弱，無需多布置，否則反而會影響到結(jié)構(gòu)剛度的大小[3]。

2.2 合理布置墻肢截面

剪力墻作為建筑主體承重結(jié)構(gòu)，其豎向載荷及風載荷承受能力較強，而橫向載荷只能依靠大樓板進行傳遞，在設(shè)計時，一般會從豎向載荷的設(shè)計入手，嚴格控制剪力墻的數(shù)量。通常情況下，剪力墻數(shù)量是根據(jù)軸壓比、地震力來確定的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，布置剪力墻結(jié)構(gòu)，一般來說，會采用L型、T型的墻肢截面，而且如果條件允許，應(yīng)該使得剪力墻翼緣的長度超過墻體厚度的3倍，在布置方案設(shè)計過程中，需要嚴格按照JBJ 3—2012高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程及GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范中的技術(shù)標準，進行剪力墻翼緣暗柱的設(shè)計，并且盡量減少其中箍筋、縱筋的用量，以提高剪力墻墻肢穩(wěn)定性和抗震性[4]。

2.3 保持樓層剪力系數(shù)最小

在進行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計師應(yīng)在保持短肢剪力墻承受力矩達標的基礎(chǔ)上，將樓層間剪力系數(shù)降低到最小，在保證建筑建設(shè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少剪力墻數(shù)量，同時適度提升剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。而在布置剪力墻結(jié)構(gòu)時，則應(yīng)該盡量采用縱橫雙向布置的方式，并且讓兩個方向的剛度大致保持一致，比如說在矩形平面高層住宅的設(shè)計中，可以在山墻位置設(shè)置較長或較厚的墻體，這樣能夠增大墻體的橫向剛度，從而使得縱橫兩個方向的墻體剛度趨于相同，從而保證受力的平衡，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.4 嚴格控制樓層間位移與層高比

在剪力墻結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)該保持樓層間位移數(shù)值的最大化，同時嚴格控制層高比。在計算剪力墻結(jié)構(gòu)的位移時，一般只會考慮樓層間的彎曲變形情況，而不會考慮到建筑結(jié)構(gòu)的變形，因此樓層間的兩大變形要素——扭轉(zhuǎn)和剪切，就成為了位移計算的主要計算因子。以剪切變形為例，其主要影響因素為豎向構(gòu)建，保持豎向構(gòu)建的數(shù)量適中，嚴格控制樓層間位移與層高比，能夠有效緩解樓層間彎曲變形的現(xiàn)象，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的設(shè)計要求[4]。

3 高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化策略

在住宅建筑設(shè)計中，通過剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置，能夠達到控制工程含鋼量的目的，從而優(yōu)化工程建設(shè)效益。在此過程中，設(shè)計人員需要以JBJ 3—2012高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定為基礎(chǔ)，再對剪力墻結(jié)構(gòu)的施工圖紙進行優(yōu)化，以抗震等級為三級的高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)布置為例，規(guī)程中明確規(guī)定了只要計入墻身水平分布筋的體積配箍率小于整體配箍率的30%，約束邊緣構(gòu)件的體積配箍率可以計入符合墻體構(gòu)建要求的墻身水平分布鋼筋中，因此在設(shè)計過程中，可以將約束邊緣構(gòu)件箍筋的配置從C10@110至C10@130降低為C10@150或者是部分降低為C8@140，減少箍筋用量。而且，其中還規(guī)定了在構(gòu)造邊緣構(gòu)件中，底部加強部位除計算要求外，箍筋配置最小量為C6@150，而其余部位的箍筋配置最小量為C6@200，因此，在符合設(shè)計要求的情況下，可以按照最小配箍量，來繪制箍筋。此外，在剪力墻結(jié)構(gòu)布置時，可能會受到建筑功能的限制，比如說在住宅建筑開窗出，剪力墻翼緣長度必須小于厚度的3倍，且暗柱的箍筋必須小于C8@150，這種情況下，需要額外設(shè)計箍筋設(shè)置方案，以保證住宅建筑質(zhì)量達標。

4 結(jié)語

高層住宅的建設(shè)，是對城市土地資源高效利用的一種方式，但是由于建筑高度和功能復(fù)雜的原因，其力學結(jié)構(gòu)相對脆弱，抗震性能比較低[5]。剪力墻結(jié)構(gòu)由于具備高強度、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高層建筑建設(shè)中，在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，合理應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅能夠提高建筑質(zhì)量，而且能夠縮短建設(shè)周期，降低工程造價，這對于高層住宅建設(shè)效益和社會效益的優(yōu)化，都有著積極的意義。剪力墻結(jié)構(gòu)的布置及優(yōu)化，并不是一件簡單的事情，設(shè)計人員應(yīng)該從結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計出發(fā)，合理控制剪力墻結(jié)構(gòu)的布設(shè)位置及數(shù)量，并經(jīng)過反復(fù)的推敲和驗算，指導確定最佳的方案，降低結(jié)構(gòu)含鋼量，提高工程經(jīng)濟性。

[1] 曹曉晨.裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層住宅電氣設(shè)計實例解析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(20):107-108.

[2] 張小方,張舉濤.鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于高層裝配式住宅的研究[J].甘肅科技縱橫,2017(6):51-54.

[3] 曾 鵬,曹平周.高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅剪力墻類型與布置對結(jié)構(gòu)性能影響分析[J].建筑科學,2017(1):100-106.

[4] 林宇棟,王 杰,石 林,等.裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)在某高層住宅工程中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā),2015(5):53-56.

[5] 李曉冬.提高小高層住宅框架異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點施工質(zhì)量[J].施工技術(shù),2013(S2):435-438.