超高層建筑工程剪力墻抗彎控制方法

余曉云，葉劍標(biāo)

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑行業(yè)的不斷興起，建筑行業(yè)用超高層建筑逐漸替代了低層建筑，用增加高度的方法來擴(kuò)大居民使用面積[1]。超高層建筑指的是40層以上、高度100 m以上的建筑物，超高層建筑工程在施工過程中存在著較大的難度，同時(shí)對(duì)其質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)苛[2]。

相對(duì)于低層建筑，超高層建筑所承受的風(fēng)力、壓力等都會(huì)更大，因此超高層建筑工程中所用到的材料就要具有較強(qiáng)的抗壓性和抗彎性，所以大多數(shù)的超高層建筑工程中選用的是剪力墻[3-4]。剪力墻由于具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性和抗震性，也被稱為抗震墻或抗風(fēng)墻，按照剪力墻的結(jié)構(gòu)將其分為平面剪力墻和筒體剪力墻[5]。平面剪力墻一般用在鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中，通過增加結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度來達(dá)到抗倒塌的目的。然而這種剪力墻雖然擁有抗震力和抗壓力強(qiáng)的特點(diǎn)，但存在著抗彎性差的問題。當(dāng)強(qiáng)大的外界壓力作用在抗彎性差的剪力墻上時(shí)，剪力墻會(huì)發(fā)生墻體彎曲現(xiàn)象，當(dāng)彎曲達(dá)到一定程度，就會(huì)使墻體產(chǎn)生裂縫，甚至斷裂。為了改善超高建筑工程當(dāng)中存在的此類問題，需要從根本上對(duì)其進(jìn)行控制。長時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的剪力墻抗彎控制方法存在著效率低、效果不明顯等問題，因此需要在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以此來提高超高層建筑工程中剪力墻的抗彎性。

1 剪力墻原材料配比

制作剪力墻的主要成分為混凝土和鋼板，因此在制作剪力墻時(shí)為了達(dá)到一定程度的抗彎性，需要對(duì)原材料的配比進(jìn)行整改。所用混凝土的原材料、規(guī)格以及數(shù)量見表1。

表1 剪力墻混凝土原材料參數(shù)

通過表1中混凝土的原料使用數(shù)據(jù)可以推斷出混凝土原料的使用配比為水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦粉∶外加劑=20∶12∶6∶2∶15∶0.7。接著需要對(duì)剪力墻當(dāng)中鋼含量的配比進(jìn)行計(jì)算，將剪力墻中的總含鋼量用公式(1)來表示。

M=∑mn+∑m′n+∑mm+M0

(1)

由于剪力墻的抗彎強(qiáng)度受到多個(gè)因素的影響，所以在計(jì)算鋼含量的配比時(shí)，需要將影響因素考慮其中，因此在公式(1)當(dāng)中加入影響比率，則可以將公式(1)轉(zhuǎn)換為公式(2)來表示。

(2)

mm=m′s×m′h

(3)

針對(duì)非對(duì)稱性的超高層建筑，其含鋼量的配比可以通過公式(4)來計(jì)算。

(4)

式中m′s為非對(duì)稱性超高層建筑的含鋼量配比凈增價(jià)值，N′s為建筑非對(duì)稱性級(jí)別， 若超高層建筑工程的建筑使用完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)， 則其剪力墻N′s的值取為0， 較小非對(duì)稱性建筑N′s的值為l， 而一般非對(duì)稱性建筑N′s的值為2， 嚴(yán)重非對(duì)稱性建筑值為3。 公式(4)中β代表的是單位增加含鋼量。除此之外，超高層建筑的高度同樣也會(huì)決定含鋼量的含量配比，建筑高度含鋼量的計(jì)算，如公式(5)所示。

(5)

將公式(4)和公式(5)代入公式(3)當(dāng)中，并與公式(2)聯(lián)合求解，即可得到剪力墻含鋼量的配比。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)控制

超高層建筑工程剪力墻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 剪力墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在此結(jié)構(gòu)上，以內(nèi)嵌鋼板作為縱方向，魚尾板作為橫方向，建立坐標(biāo)系，以此作為剪力墻結(jié)構(gòu)控制的基礎(chǔ)。在坐標(biāo)系上對(duì)剪力墻進(jìn)行受力分析[7-8]。從圖1可以看出，混凝土墻板可以通過耗能承力鋼板傳遞豎向力和側(cè)向力，剪力墻多承擔(dān)的作用力首先從邊緣約束梁柱傳遞到角鋼的位置，再由角鋼通過高強(qiáng)承壓型螺栓和焊縫傳遞至耗能承力鋼板，最后由耗能承力鋼板傳遞至預(yù)制混凝土墻板。從這樣的受力傳遞機(jī)制可以看出，剪力墻抗彎的承載力是由邊緣梁柱、內(nèi)嵌鋼板和混凝土墻板3個(gè)部分提供的，超高層建筑工程中的剪力墻抗彎力用公式(6)來表示。

F=Fz+Fs+Fc

(6)

式中Fz、Fs和Fc分別表示的是3個(gè)結(jié)構(gòu)承擔(dān)的抗彎力，其中內(nèi)嵌鋼板的抗彎承載力可以表示為

Fs=λFtwbw

(7)

公式(7)中λF為鋼材的抗彎強(qiáng)度，tw為內(nèi)嵌鋼板厚度，bw為內(nèi)嵌鋼板寬度[9-10]。剪力墻柱子抗彎承載力計(jì)算公式為

(8)

同時(shí)

(9)

(8)式和(9)式中Mx表示的是邊緣約束柱子的抗彎承載力，λF為鋼材的抗彎強(qiáng)度，γx為塑性發(fā)展系數(shù)， 另外2個(gè)參數(shù)Wx和Hz分別表示的是鋼截面的面積和計(jì)算的高度。在剪力墻的彈性范圍內(nèi)，混凝土墻板的變形集中在耗能承力鋼板開孔薄弱的位置，因此耗能承力鋼板開孔的部位首先進(jìn)入抗彎耗能，作為建筑工程當(dāng)中抗彎的第一個(gè)直接結(jié)構(gòu)[11]。耗能承力鋼板的薄弱位置會(huì)因結(jié)構(gòu)變形程度的提升而產(chǎn)生大變形屈服耗能，此時(shí)內(nèi)嵌鋼板達(dá)到剪切屈服強(qiáng)度變形，共同構(gòu)成抗彎第二結(jié)構(gòu)。使邊緣約束梁柱達(dá)到塑性變形，由此完成超高層建筑工程剪力墻的多道抗彎防線。

3 極限彎矩承載力計(jì)算

通過對(duì)極限彎矩承載力的計(jì)算來控制剪力墻抗彎的范圍，首先對(duì)剪力墻板彎曲開裂強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如公式(10)所示。

(10)

式中ρt表示的是墻身垂直配筋率，ρc為邊柱或端柱縱筋配筋率，N表示的是墻的橫截面慣性彎矩，n為鋼筋與混凝土彈性模量之比[12-13]。α1和α2為系數(shù)常量，hw為剪力墻面的高度。計(jì)算得到各剪力墻的彎曲開裂強(qiáng)度進(jìn)而可得剪力墻的彎曲開裂荷載值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證此剪力墻抗彎控制方法的效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在同樣的尺寸、配筋率、原材料配比的條件下，使用不同的方法來控制剪力墻的抗彎能力，并對(duì)制作出的剪力墻進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源

此次實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于中建自產(chǎn)的某個(gè)超高層建筑工程的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，按照該工程當(dāng)中的項(xiàng)目數(shù)據(jù)制作相關(guān)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象分為3種不同厚度的剪力墻，第一組MSFRC層厚度為0，編號(hào)為1，將其作為基本參照。第二組MSFRC剪力墻層厚度為50 mm，從邊裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部偏心裂紋的角度，MSFRC只需要布置在受拉區(qū)邊緣有一定的厚度即可。為了保證該剪力墻的使用壽命，鋼筋與混凝土之間應(yīng)保證有足夠的有效錨固范圍。第三組的實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)定的厚度為1/3的墻高。除剪力墻的厚度外，其他數(shù)據(jù)設(shè)定如表2和表3所示。

表2 剪力墻混凝土參數(shù)

表3 剪力墻鋼筋參數(shù)

4.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象制作

根據(jù)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理相關(guān)內(nèi)容，按照項(xiàng)目數(shù)據(jù)中的尺寸制作實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為了保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，需要在剪力墻的鋼筋上設(shè)置保護(hù)層，其厚度為25 mm。首先對(duì)構(gòu)成剪力墻的鋼筋骨架和模板進(jìn)行制作，為避免實(shí)驗(yàn)中的高溫對(duì)B500C高強(qiáng)鋼筋有影響，鋼筋的切割方式選擇機(jī)械切割，在實(shí)驗(yàn)所用的剪力墻模板上的三分點(diǎn)處施加橫向鋼絲，避免澆筑混凝土后側(cè)模因剛度不足而發(fā)生變形、爆模。按照控制方法中原材料的配比制作混凝土材料，按照控制方法當(dāng)中的結(jié)構(gòu)，生成所需的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

4.4 抗彎實(shí)驗(yàn)對(duì)比過程

分別使用傳統(tǒng)的剪力墻抗彎控制方法和設(shè)計(jì)完成的剪力墻抗彎控制方法制作不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中除了控制方法不同外，其他參數(shù)保證一致。為了驗(yàn)證剪力墻的抗彎能力，對(duì)制作出的實(shí)驗(yàn)對(duì)象施加外界壓力，將施加的壓力數(shù)值與剪力墻的變化情況記錄下來，并進(jìn)行對(duì)比得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)比兩種控制方法對(duì)承載能力與變形性能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線(圖2)。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖2可以看出，在同樣的外界壓力下，傳統(tǒng)方法控制下的剪力墻變形程度更高，且在壓力為400 mm時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了變形現(xiàn)象，而優(yōu)化的控制方法在壓力為600 mm時(shí)，才開始出現(xiàn)剪力墻變形情況，且變形程度相比于傳統(tǒng)控制方法更小。因此本文設(shè)計(jì)的剪力墻抗彎控制方法在超高層建筑工程當(dāng)中制作的剪力墻的變形情況不明顯，且承重能力和抗彎能力更強(qiáng)。

5 結(jié)論與討論

超高層建筑作為現(xiàn)階段中國使用率最高的建筑類型，在性能方面受到了極大關(guān)注，中國的建筑行業(yè)為了能夠提高建筑中剪力墻的應(yīng)用性能，從抗震性、抗彎性等多個(gè)方面進(jìn)行研究，經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的剪力墻抗彎控制方法可以有效地解決此類問題，并具有較高的使用性能。另外，有效控制剪力墻的抗彎能力，不僅需要考慮設(shè)計(jì)方面，更要對(duì)超高建筑工程施工的過程進(jìn)行控制，控制施工工人制作剪力墻的技術(shù)和工藝，做好剪力墻的養(yǎng)護(hù)工作也可以在一定程度上提高剪力墻的抗彎能力。