基于抗震設(shè)防烈度的高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

冼靜雯

（廣州博廈建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著住宅產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，目前全國已建成的高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)的占到90%左右［1，2］。在研讀近些年大量國內(nèi)外參考文獻(xiàn)、國家《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（2016年修訂版） （以下簡稱《抗規(guī)》）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性及安全性等方面的明確規(guī)定［3］后，本文將以廣東地區(qū)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)為研究背景，依據(jù)建筑功能的要求以及結(jié)構(gòu)本身的一些特點，對該剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，然后通過對比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)方案，分析其抗震性能，以達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)并存的目的。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

剪力墻通常也被叫做抗震墻，具有相當(dāng)大的抗側(cè)剛度，能有效的抵抗水平荷載作用，缺點就是平面布置不是特別靈活，吸收的地震能量也很大。進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其好壞將直接影響整個結(jié)構(gòu)整體性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。剪力墻優(yōu)化布置原則如下：在滿足規(guī)范要求的位移、抗側(cè)力、抗扭轉(zhuǎn)等要求下，盡量減少剪力墻的數(shù)量，并且采取有效措施減少邊緣構(gòu)件的數(shù)量等。

1.1 滿足周邊強(qiáng)、中部弱布置原則

應(yīng)盡可能在結(jié)構(gòu)周邊及外圍布置剪力墻，必要時設(shè)置外圈高連梁以提高結(jié)構(gòu)整體剛度。在結(jié)構(gòu)中部，特別是樓電梯間的位置，盡量減少剪力墻的數(shù)量，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度提高，增加抗傾覆能力，便于控制結(jié)構(gòu)的周期比和位移比等重要指標(biāo)。同時剪力墻宜沿建筑物的兩個主軸方向雙向均勻布置，并盡量使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心重合，減少結(jié)構(gòu)自身的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

1.2 盡量采減少短肢墻及超長墻的數(shù)量

結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量加長剪力墻墻肢的長度（但不宜大于8米），并減少短肢墻的數(shù)量，避免在小開間里設(shè)置多道剪力墻。通過這樣設(shè)計，可以高效發(fā)揮剪力墻的抗側(cè)移性能前提下，減少剪力墻布置的數(shù)量。同時，剪力墻數(shù)量減少后，邊緣構(gòu)件的數(shù)量和暗柱的配筋面積相應(yīng)降低，剪力墻之間的間距得到擴(kuò)大，建筑的空間靈活性得到提高。另外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中還是應(yīng)該避免個別墻肢使用超長墻。超長墻因其剛度大，承擔(dān)的總地震力比例高，在超過設(shè)防烈度地震的作用下超長墻會首先破壞（受彎后產(chǎn)生的裂縫寬度會很大，墻體的配筋容易拉斷），其余剪力墻由于無法起到二道抗震防線的作用，結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生由局部超長墻破壞導(dǎo)致的連續(xù)倒塌。可通過在這類墻體中部設(shè)置洞口（跨高比＞6的弱連梁），將其分為長度較小的墻段，使每個墻段成為高寬比大于3的獨立墻肢或聯(lián)肢墻，避免因應(yīng)力集中導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)安全問題。

1.3 少用復(fù)雜形狀異形墻及一字墻

剪力墻結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)多采用L型、T型墻肢，這類型墻體穩(wěn)定性好，且能滿足框架梁鋼筋在墻肢端部的錨固構(gòu)造要求。另外，由于連續(xù)轉(zhuǎn)折墻體會增加邊緣構(gòu)件的數(shù)量，而一字墻在水平地震作用力下容易出現(xiàn)平面外穩(wěn)定性破壞，基于結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)性要求，也盡量少用連續(xù)轉(zhuǎn)折墻體和一字墻。

下面結(jié)合高層住宅建筑實例，對其剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。

2 工程概況

下面選取廣東地區(qū)一個高層住宅層工程實例，探究設(shè)防烈度下該種戶型方案的最佳優(yōu)化方案，并對比分析前后優(yōu)化方案下的結(jié)構(gòu)性能和抗震能力，以便為現(xiàn)實設(shè)計提供參考。

工程為高層住宅樓，總建筑面積為9314m2，設(shè)有1層地下室，地上有28層，標(biāo)準(zhǔn)層為住宅，層高2.90m。本工程按7度丙類建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，場地類別為Ⅱ類，其剪力墻抗震等級為二級，設(shè)防地震分組為第一組，設(shè)計地震烈度為7度，地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面最初布置見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)原模型平面圖

3 基于抗震設(shè)防烈度的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前高度在100m以下的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計一般未對剪力墻墻肢沿層數(shù)自下而上減小長度的細(xì)化設(shè)計，因此對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行剪力墻墻肢沿層數(shù)自下而上減小長度的優(yōu)化研究具有提高結(jié)構(gòu)抗震性能和經(jīng)濟(jì)效益的作用。

針對廣東地區(qū)常用的剪力墻結(jié)構(gòu)布置形式，本文選取位于設(shè)防烈度為7度（0.1g）的廣東地區(qū)的建筑住宅為研究對象，重點對剪力墻墻肢的長度優(yōu)化。

根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，抗震設(shè)計時，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的范圍，應(yīng)從地下室頂板算起，可取兩層和墻體總高度的1/10二者的較大值。從第10層開始選軸壓比離限值較大的剪力墻墻肢，采取每隔一定層數(shù)減小剪力墻墻肢一定長度的方式進(jìn)行優(yōu)化，且在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部傾覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的50%；所以在優(yōu)化的過程中盡量使剩余墻肢長度大于8倍墻厚，這樣保證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求，根據(jù)以上要求，下面按自下而上逐漸減小剪力墻墻肢長度原則進(jìn)行優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析進(jìn)行探討。

剪力墻結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計時很重視墻肢長度的問題，因為當(dāng)墻肢長度過長時，墻肢在受彎后產(chǎn)生的裂縫寬度，墻體的配筋容易拉斷，相反，當(dāng)墻肢長短過小，則有可能變成短肢剪力墻，不利于抗震。因此進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)布置時，需要注意墻肢長度的影響。

參照項目以上建筑平面布置圖1，在滿足建筑使用功能的基礎(chǔ)上，按自下而上逐漸減小剪力墻墻肢長度原則進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后模型10～14層剪力墻布置見圖2，15～19層剪力墻布置圖見圖3，20～28層剪力墻布置圖見圖4。

圖2 優(yōu)化后模型10～14層剪力墻布置

圖3 優(yōu)化后模型15～19層剪力墻布置

圖4 優(yōu)化后模型20～28層剪力墻布置

在STAWE軟件中，可以直接通過查看計算結(jié)果來得到各種工況下層間位移角。優(yōu)化前模型，在地震作用下，X向1/1116，Y向1/1309，優(yōu)化后模型X向1/1062，Y向1/1166。在調(diào)整過程中分析發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)都符合規(guī)范關(guān)于樓層最大層間位移角限值的規(guī)定。優(yōu)化后在兩種工況下的最大層間位移角比優(yōu)化前相應(yīng)工況下的層間位移角稍大且更加接近規(guī)范限值，說明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度較優(yōu)化前變小，構(gòu)件設(shè)置更加合理，可以適當(dāng)減少墻肢長度。

優(yōu)化前位移比結(jié)構(gòu)X向1.11，Y向1.06，優(yōu)化后位移比結(jié)構(gòu)X向1.10，Y向1.04，優(yōu)化后的X向、Y向的位移比都有所減小，說明優(yōu)化后的剛度分布更加合理，扭轉(zhuǎn)減小。

另外，首層軸壓比在0.40～0.44之間的剪力墻數(shù)量最多，而在0.30～0.34之間的沒有。優(yōu)化后的軸壓比在0.35～0.39之間的剪力墻最多，0.40～0.49之間次之。通過對比可以得出優(yōu)化后模型軸壓比普遍減小，這是由于自下而上減小剪力墻墻肢長度使結(jié)構(gòu)整體自重減小，以及整體剛度減小，結(jié)構(gòu)吸收的地震作用減小的結(jié)果，使得剪力墻豎向承載力具有較大儲備，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)延性更好。

按自下向上減小剪力墻墻肢長度的方式優(yōu)化后，各層層間剪力都有所減小。說明自下而上減小剪力墻墻肢長度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振周期增大，所以減小了結(jié)構(gòu)所受的地震作用力，從而減小了地震作用對結(jié)構(gòu)的不利影響，這也與理論相符合。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性主要反映在結(jié)構(gòu)材料用量上，在所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗鋼量中，剪力墻、梁、板以及樁基礎(chǔ)占很大部分，特別是剪力墻的鋼筋用量占到28%左右。本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計化，通過經(jīng)濟(jì)分析得到該工程混凝土用量為2500.7m3，鋼筋用量293440m3。優(yōu)化后比優(yōu)化前節(jié)約混凝土121.10m3，單位面積混凝土減少0.014m3，節(jié)約鋼筋8386.7kg，單位面積鋼筋用量減少0.9kg，得到業(yè)主的肯定，并對類似工程具有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

按建筑相關(guān)功能要求，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化上還可以通過剪力墻根據(jù)建筑整體方案和洞口布置情況建立模型，同時考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)具有較大的整體抗側(cè)剛度，對某些剪力墻設(shè)置構(gòu)造洞口，同時將一字形截面改為T形或L形截面等。但結(jié)合本項目的實際情況，重點對剪力墻墻肢的長度進(jìn)行優(yōu)化，以實現(xiàn)項目在地震受力性等方面的優(yōu)化?？梢钥闯鰞?yōu)化前后結(jié)構(gòu)均符合國家相關(guān)規(guī)范要 求且優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)性能大體上優(yōu)于優(yōu)化前結(jié)構(gòu)，同時項目能夠把模型調(diào)整到最優(yōu)模型使各種材料充分發(fā)揮其性能即“物盡其用”，對抗震性能和經(jīng)濟(jì)效益都具有積極意義。