高層板式住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

【摘要】剪力墻是重要的建筑結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，尤其是對(duì)于板式住宅建筑這類對(duì)安全性、抗震性能、強(qiáng)度等具有更高要求的建筑。本文主要研究板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和策略，并結(jié)合具體案例進(jìn)行分析，旨在不斷提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性，進(jìn)一步提升我國(guó)板式住宅高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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

我國(guó)板式住宅高層建筑多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而剪力墻結(jié)構(gòu)由于其整體性強(qiáng)高、抗震性能好、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，應(yīng)用最為普遍。對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能進(jìn)一步保證建筑在使用過(guò)程中的穩(wěn)定與安全，延長(zhǎng)其耐久性。觀察現(xiàn)有的板式住宅高層建筑建設(shè)，對(duì)剪力墻的設(shè)計(jì)還達(dá)不到精細(xì)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍存在較大的優(yōu)化空間，因此有必要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。

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

（1）通常情況下，剪力墻的布置要盡可能沿著建筑的中心軸雙向?qū)ΨQ布置，盡量控制兩個(gè)方向剪力墻的側(cè)向剛度比在規(guī)范容許范圍內(nèi)，從而有效提升剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗震性能[1]。（2）剪力墻應(yīng)拉伸對(duì)齊，保證剪力墻的留孔與窗口有效銜接，增強(qiáng)建筑整體的工整、美觀。剪力墻墻肢和連梁受力計(jì)算分析需精準(zhǔn)可靠，計(jì)算出剪力墻的受力狀況，為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)整體計(jì)算建立良好基礎(chǔ)。（3）剪力墻在豎直方向上應(yīng)貫穿整個(gè)建筑物，在不同高度位置，對(duì)所用的混凝土標(biāo)號(hào)要求也不同;選取相對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)并有效控制剪力墻的剛度突變，防止建筑受外部荷載影響時(shí)引起應(yīng)力集中。（4）剪力墻洞口與墻邊間不應(yīng)形成小墻肢，小墻肢肢長(zhǎng)的設(shè)計(jì)應(yīng)按照大于三倍墻體厚度的原則，并加強(qiáng)暗柱的設(shè)計(jì)[1]。（5）長(zhǎng)度較長(zhǎng)的剪力墻上應(yīng)設(shè)置分布合理的洞口，可將剪力墻分成多段，使用弱連梁進(jìn)行連接，最大限度保證每一段墻體的高度與其自身截面高度的比值不小于2。長(zhǎng)度較短的剪力墻產(chǎn)生裂縫的概率較低，此種情況下，剪力墻的配筋能充分發(fā)揮作用，因此剪力墻截面的高度一般要求不大于8米。（6）在板式住宅高層建筑中，應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)長(zhǎng)墻，其次采用長(zhǎng)短結(jié)合的剪力墻搭配布置，避免所有剪力墻均設(shè)計(jì)成短肢剪力墻。若確實(shí)需要設(shè)計(jì)短肢墻，應(yīng)增設(shè)翼緣。當(dāng)整體結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻布置較多時(shí)，可選取合適位置設(shè)置普通長(zhǎng)墻，與短肢剪力墻相結(jié)合，提高抵抗水平荷載的能力。（7）在剪力墻設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小剪力墻平面外彎矩，通?？刹捎眉釉O(shè)扶壁柱或垂直墻肢的方法減弱或平衡剪力墻平面外的彎矩 [2]。截面較小的柱、梁，可使用鉸接法設(shè)計(jì)，釋放平面外的彎矩。（8）梁柱設(shè)置的位置要避開(kāi)連梁，其原因是一旦柱梁的端部未達(dá)要求，連梁機(jī)械強(qiáng)度不足、不能抵抗平面外彎矩，就容易造成連梁平面外開(kāi)裂。

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

2.1為后期建筑改造升級(jí)留有足夠的安全儲(chǔ)備

在進(jìn)行板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要為后期升級(jí)改造留有一定空間，在剪力墻的強(qiáng)度和受力性能滿足要求的基礎(chǔ)上，為門、窗洞口留下足夠的位置，便于門窗設(shè)計(jì)。洞口的預(yù)留要按照建筑設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，杜絕隨意打孔，避免后期重復(fù)性的開(kāi)洞和補(bǔ)孔。對(duì)剪力墻上孔洞的位置需提前規(guī)劃，可將剪力墻用洞口分成幾個(gè)墻肢，使門窗位置均勻的分配在每個(gè)墻肢中間。

2.2合理設(shè)計(jì)剪力墻平面布置

剪力墻平面布置的要點(diǎn)主要包括：（1）保證設(shè)置的剪力墻平面均勻、對(duì)稱，盡量讓剪力墻的質(zhì)量重心與整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度中心重合或接近，以此來(lái)減小結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn);并宜將內(nèi)外墻對(duì)齊、拉通[3]。（2）抗震剪力墻的設(shè)計(jì)要選取在結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置剪力墻的方案，僅在結(jié)構(gòu)一側(cè)設(shè)置剪力墻的方案應(yīng)予排除。（3）保證剪力墻的設(shè)置沿中軸線對(duì)稱。（4）剪力墻的剛度不能太剛，在保證其抗側(cè)力性能滿足要求時(shí)還需具備足夠的延性。具體設(shè)計(jì)中，常使用周期 公式進(jìn)行計(jì)算，其中n表示剪力墻的層數(shù)。使用上述公式能夠計(jì)算出剪力墻剛度的范圍區(qū)間，保證其剛度與層數(shù)相符合，以提升剪力墻結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。

2.3對(duì)剪力墻的墻肢進(jìn)行適當(dāng)處理

剪力墻的設(shè)計(jì)要保證其具備一定的延性。被用于板式住宅高層建筑的剪力墻高度較大，因此要保證設(shè)計(jì)的剪力墻具備較好的延性變形能力。長(zhǎng)度較大的剪力墻可在墻體內(nèi)開(kāi)洞，將其分成多個(gè)均勻的墻肢。此種做法能有效降低墻體開(kāi)裂的幾率，即使在使用過(guò)程中開(kāi)裂也不會(huì)形成較大的裂縫，可將剪力墻中鋼筋的支承作用最大程度的發(fā)揮。長(zhǎng)墻肢在地震作用下很容易受到破壞，若剪力墻的長(zhǎng)度大于8米，就應(yīng)采取開(kāi)洞處理的方式將長(zhǎng)墻分割成多個(gè)連體墻肢，減輕地震作用對(duì)墻體帶來(lái)的破壞。

2.4合理設(shè)計(jì)剪力墻的邊緣構(gòu)件

剪力墻的邊緣構(gòu)件主要分為兩種類型，即構(gòu)造型和約束型。在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，要根據(jù)墻體的軸壓比和抗震等級(jí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的邊緣構(gòu)件。構(gòu)造邊緣構(gòu)件主要適用于建筑底部加強(qiáng)部位和四級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻中。當(dāng)?shù)撞考訌?qiáng)部位與相鄰上一層墻體間的軸壓比大于等于規(guī)范規(guī)定的限值時(shí)，需要設(shè)計(jì)約束邊緣構(gòu)件。

2.5設(shè)計(jì)科學(xué)合理的轉(zhuǎn)換層

在地震力作用下，建筑底部的剪力墻會(huì)承受較大的地震荷載，在較大荷載的作用下，處于底部轉(zhuǎn)換層的剪力墻的承載能力會(huì)下降。因此在設(shè)計(jì)中，要合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層，當(dāng)剪力墻的承載能力較小時(shí)應(yīng)對(duì)其采取加強(qiáng)措施，以提高剪力墻的抗震承載能力。因此在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，要加強(qiáng)墻柱的內(nèi)力計(jì)算和構(gòu)造措施，增強(qiáng)轉(zhuǎn)換層構(gòu)件對(duì)地震剪力的分配能力，提升轉(zhuǎn)換層的延性。

3、案例分析

某板式高層住宅，地上30層、地下一層，總高度為89.9米，總建筑面積達(dá)13980平方米，設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防烈度為8級(jí)。該建筑地上30層的結(jié)構(gòu)平面統(tǒng)一設(shè)置。豎向剛度變化主要受混凝土強(qiáng)度和構(gòu)件截面的大小影響，不宜進(jìn)行頻繁變化。但變化的次數(shù)少又會(huì)導(dǎo)致每次變化的幅度過(guò)大而影響剪力墻的剛度。最后，采取按照樓層自下而上逐漸降低混凝土強(qiáng)度和減小截面的漸進(jìn)布置方案。具體情況如下：混凝土：1到14層，梁、板部分設(shè)置為C35，其他為C30;墻、柱的部分1到7層為C40，8到19層為C35，其他為C30。墻體截面：1到5層為300mm，6到13層為250mm，其他為200mm。經(jīng)過(guò)多個(gè)方案的對(duì)比研究，墻體截面最終選定將1到3層的剪力墻厚度優(yōu)化為250mm，保證平面中橫縱兩個(gè)方（下轉(zhuǎn)84頁(yè)）（上接82頁(yè)）向的剛度大致相同，如圖1。

具體的計(jì)算參數(shù)如下：混凝土和鋼材的容重分別設(shè)置為27.0kN/m3和78.0kN/m3，建筑中使用的主筋、箍筋、墻分布筋等的強(qiáng)度均設(shè)置為360N/mm2。連梁剛度折減系數(shù)為0.55，活荷載質(zhì)量折減系數(shù)為0.5，周期折減系數(shù)為0.9，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，結(jié)構(gòu)特征周期為0.35s，最大多遇地震與罕遇地震的影響系數(shù)分別為0.16、0.9。設(shè)計(jì)時(shí)，采用PKPM系列軟件對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，主要關(guān)注樓層側(cè)移剛度、地震反應(yīng)力、層間位移角等信息，最終選取上述方案。此外優(yōu)化工作還對(duì)各方案的混凝土和鋼筋使用情況進(jìn)行對(duì)比，最佳方案的混凝土、鋼筋使用量分別為0.4025m3/m2和44.3069kg/m2，該方案的材料用量較其他方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。該優(yōu)化方案還對(duì)建筑層數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表1。對(duì)高寬比的變化進(jìn)行研究分析，觀察高寬比與混凝土、鋼筋含量之間的數(shù)量關(guān)系，得出高寬比增加會(huì)導(dǎo)致混凝土用量線性增加、鋼筋用量的增加速率逐漸減弱的結(jié)論。

結(jié)論：

高層板式住宅建筑在實(shí)際工程建設(shè)中的比重越來(lái)越大，為保證業(yè)主的居住安全，進(jìn)行高層板式住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和規(guī)程的要求進(jìn)行，重點(diǎn)分析鋼筋、混凝土等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，把握剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)，具體問(wèn)題具體分析。并不斷總結(jié)實(shí)際工程中剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，不斷提升高層板式住宅建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量，創(chuàng)造更大的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]林隆煜.板式住宅高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].科技視界，2018（32）：206-207.

[2]周甫.高層住宅剪力墻施工技術(shù)探討[J].智能城市，2018，4（19）：77-78.

[3]朱金坤，劉斌，賀星新，等.高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)及其優(yōu)化對(duì)策[J].居舍，2018（28）：104.

作者簡(jiǎn)介：

楊宏偉，1983.10-，皖霍山，碩士研究生，工程師，結(jié)構(gòu)工程專業(yè);

丁翠霞，1982.4-，皖長(zhǎng)豐，本科，工程師，土木工程專業(yè)。