剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

傅長(zhǎng)根

(江西科信建設(shè)有限公司,江西 南昌 330017)

隨著人們對(duì)建筑要求的不斷提高,剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑的應(yīng)用中占有非常重要的地位。為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的效果,所以在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,有必要從實(shí)際情況出發(fā),根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析,去保證剪力墻結(jié)構(gòu)的安全要求以及控制剪力墻的鋼含量,達(dá)到控制成本的目的。

1 剪力墻設(shè)計(jì)原則

1.1 連續(xù)性

剪力墻的作用是用于建筑構(gòu)件的維護(hù)以及結(jié)構(gòu)的分離,起到承載水平和豎向阻力的用處。因此,為避免剪力墻剛度變化引起的建筑側(cè)向位移現(xiàn)象,在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)從上到下布置,以盡量避免剛度的突然變化出現(xiàn)。

1.2 對(duì)墻體進(jìn)行受力分析

在設(shè)計(jì)剪力墻整體結(jié)構(gòu)時(shí),有必要對(duì)墻體的混凝土應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的分析。作為平面構(gòu)件,墻體上的壓力不僅包括水平彎矩和剪力,而且還包括豎向壓力。因此,在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中,必須充分考慮和認(rèn)真分析剪力墻自身的應(yīng)力,以保證剪力墻的使用效果和質(zhì)量。

1.3 墻體延性

墻體的延性對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著非常重要的作用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,如果剪力墻過(guò)薄、過(guò)高,往往會(huì)由于連接梁的應(yīng)力而導(dǎo)致嚴(yán)重的張拉或彎曲,從而導(dǎo)致剪力破壞,難以恢復(fù)。因此,在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,特別是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,不可能采用整體強(qiáng)度比大于9m、高寬比小于2m的細(xì)長(zhǎng)剪力墻。應(yīng)盡量避免設(shè)置剪力墻的曲折形狀。此時(shí),可以在截面的一部分上設(shè)置一個(gè)孔,將整個(gè)墻體分割成幾個(gè)生長(zhǎng)小于9m的均勻的截面,形成連接墻,從而充分發(fā)揮剪力墻的延性。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)方案的選擇

只有保證了剪力墻結(jié)構(gòu)施工的安全性,才能在多種方案中做出比較選擇,還應(yīng)考慮工程造價(jià)可以處于最低水平,選擇適合該高層建筑的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于樓層較少的高層建筑,如少于18層的建筑,建議采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),因?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算每個(gè)墻肢的實(shí)際壓縮軸所得到的值很小,墻體一般都是錐形的。加筋結(jié)構(gòu),必然導(dǎo)致墻體承載力的提高。我們不應(yīng)該充分發(fā)揮作用。建議采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)有效地解決這些問(wèn)題。在7度區(qū),短肢剪力墻結(jié)構(gòu)用于18層以下的住宅建筑,能有效地控制水平地震剪力、結(jié)構(gòu)峰值位移和周期,且控制在合理的范圍內(nèi)。如果高層建筑的層數(shù)大于18,最好選擇普通剪力墻結(jié)構(gòu)。如果短肢剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于層數(shù)過(guò)多的建筑結(jié)構(gòu),其剛度將不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性能。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 科學(xué)開展平面布置工作

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要對(duì)其平面布置進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。通常應(yīng)遵循對(duì)稱原理,墻體結(jié)構(gòu)的重心和剛度可以充分結(jié)合以減小誤差,而剪力墻結(jié)構(gòu)可以承受各種力達(dá)到平衡狀態(tài)。在設(shè)計(jì)工作中,剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)沿主軸方向、兩個(gè)或兩個(gè)以上的方向進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)。同時(shí),為保證剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的有效性和科學(xué)性,應(yīng)減少單向墻設(shè)計(jì)。另外,為了提高建筑工程的安全性能和施工質(zhì)量,降低工程造價(jià),還應(yīng)降低墻側(cè)阻力的剛度。這是因?yàn)槿绻麆偠仍黾踊蜻^(guò)大,很有可能導(dǎo)致墻體重量逐漸增加,進(jìn)而導(dǎo)致框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的支撐。支持不能充分發(fā)揮。剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)一般由以下公式計(jì)算,即T=(0.05-0.06)n,其中n表示建筑物的層數(shù)。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度與長(zhǎng)度的科學(xué)確定

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)科學(xué)地確定剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的厚度和長(zhǎng)度：(1)根據(jù)有關(guān)抗震規(guī)范的要求,當(dāng)建筑物的抗震等級(jí)為一級(jí)或二級(jí)時(shí),剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度應(yīng)控制在剪力墻結(jié)構(gòu)底部200mm。但剩余面積的厚度應(yīng)控制在160mm,但1/16必須超過(guò)地面高度。在具體的設(shè)計(jì)工作中,如果建設(shè)項(xiàng)目情況特殊,則應(yīng)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)分析,充分有效地控制墻肢軸壓比,從而增強(qiáng)墻體的整體連接性,減少墻肢軸壓比。墻的實(shí)際厚度。(2)為了確定墻上腿的長(zhǎng)度,有必要控制墻腿的長(zhǎng)度小于8米的剪力墻結(jié)構(gòu),因?yàn)楦叨鹊慕孛婕袅Y(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度等于墻上的腿。應(yīng)避免剪力墻結(jié)構(gòu)的脆性剪切破壞。對(duì)于高剪力墻結(jié)構(gòu),長(zhǎng)寬比通常大于2,設(shè)計(jì)者可以將其設(shè)置為具有彎曲破壞的延性剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.3 科學(xué)設(shè)計(jì)約束邊緣構(gòu)件

在剪力墻結(jié)構(gòu)中,邊緣構(gòu)件主要由約束邊和無(wú)約束邊組成。與約束邊剪力墻構(gòu)件相比,無(wú)約束邊剪力墻構(gòu)件的樓板位移角一般發(fā)生變化,結(jié)構(gòu)的抗震性能基本相同。矩形截面的極限承載力可降低40%,剪力墻結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性也可能降低。通常,邊緣構(gòu)件的形狀應(yīng)根據(jù)軸壓比和剪力墻結(jié)構(gòu)的等級(jí)來(lái)確定。

3.4 連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻連接梁是剪力墻中的連接梁,它能夠平衡墻腿的荷載,穩(wěn)定和約束剪力墻。因此,剪力墻耦合梁裝置在剪力墻整體結(jié)構(gòu)中起著極其重要的作用。剪力墻的截面尺寸和高度往往受到多種因素的影響。如果設(shè)計(jì)不合理或不科學(xué),將影響整個(gè)剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此,在設(shè)計(jì)剪力墻連接梁結(jié)構(gòu)時(shí),設(shè)計(jì)者應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定降低剪力墻連接梁結(jié)構(gòu)的剛度,但需要增加剪力墻連接梁結(jié)構(gòu)的整體跨度,降低剪力墻連接梁結(jié)構(gòu)的剪力高度。為了降低建筑結(jié)構(gòu)的剛度,減少地震帶來(lái)的影響。

4 剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

4.1 合理應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與計(jì)算方法

剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需要根據(jù)荷載標(biāo)準(zhǔn)要求,使用相對(duì)應(yīng)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì),只有這樣才能保證剪力墻的良好的伸縮性,剪力墻形式應(yīng)以高而薄為主,如果剪力墻過(guò)長(zhǎng),可能形成低寬度的剪力墻,因?yàn)榧袅哂写嘈?很難滿足抗震要求。因此,在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,必須對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算。雖然在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)工作中,計(jì)算機(jī)已經(jīng)基本取代了手工操作,但一些環(huán)節(jié)的計(jì)算仍然需要依靠設(shè)計(jì)人員的豐富經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決。為了提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量,設(shè)計(jì)者應(yīng)合理使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)計(jì)算工具,并根據(jù)自己的想法和經(jīng)驗(yàn)作出雙重判斷。在剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,在實(shí)際的相關(guān)構(gòu)件的計(jì)算中,必要時(shí)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

為了使框架最大樓層剪力Vf,max≥0.2FEK,剪力墻的數(shù)量不宜太多,因此剛度特征λ需滿足：λ≥1.15.一般框架剪力墻結(jié)構(gòu)中,框架的最大樓層剪力：Vf,max=(0.2～0.45)V0,在該范圍內(nèi)較為合理。

綜上所述,框架樓層剪力應(yīng)滿足：

0.2V0≤Vf,max≤0.45V0

4.2 基礎(chǔ)方案與承重構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前,應(yīng)當(dāng)先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察,提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的一些質(zhì)量和安全問(wèn)題,及時(shí)考慮進(jìn)設(shè)計(jì)方案中。根據(jù)工程地質(zhì)水文條件、技術(shù)指標(biāo)和鄰近建筑物的分布情況,科學(xué)合理地規(guī)劃剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案,以最大限度地發(fā)揮地基的實(shí)際作用。設(shè)計(jì)師應(yīng)盡最大努力修改和糾正原有的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)和選擇,其根本目的是確保建筑物主體結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

4.3 有效提升建筑整體結(jié)構(gòu)性能

剪力墻結(jié)構(gòu)的基本功能是防止地震。在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中,應(yīng)遵循簡(jiǎn)單、規(guī)則的基本原則,以減少地震作用下剪力墻結(jié)構(gòu)的壓縮效應(yīng)。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,必須注意結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),避免地震或其他災(zāi)害中局部結(jié)構(gòu)的不均勻應(yīng)力,有效地控制其危害。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的薄弱部位,以避免結(jié)構(gòu)薄弱的局部承載力。在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí),有必要根據(jù)設(shè)計(jì)人員的前期工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)參數(shù),準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位,認(rèn)真修改設(shè)計(jì)方案,采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)改善剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)而言之,剪力墻在建筑中起著維護(hù)建筑整體的安全及質(zhì)量的作用,它它承擔(dān)著建筑物的橫向及縱向荷載。所以,在建筑工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)加強(qiáng)主剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),有效提高建筑物的抗震性能和整體質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)中國(guó)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。