建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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1 前言

剪力墻是現(xiàn)代高層建筑設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)在高層建筑、超高層建筑乃至摩天大樓中得到了廣泛應(yīng)用。除了常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)特性之外，剪力墻本身具有很強(qiáng)的抗風(fēng)性、抗震性，是增強(qiáng)建筑主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)。但是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身兼有專業(yè)性與復(fù)雜性特征，需要立足于整體建筑建設(shè)現(xiàn)況開(kāi)展設(shè)計(jì)，力求全面提升建筑設(shè)計(jì)的有效性。

2 建筑剪力墻概述

2.1 概念分析

剪力墻也被稱作結(jié)構(gòu)墻或抗震墻，主要是指建筑物或構(gòu)筑物中承受地震作用或風(fēng)荷載等作用所引起的豎向荷載與水平荷載的墻體結(jié)構(gòu)，可以避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受剪破壞。當(dāng)下的剪力墻結(jié)構(gòu)主要以鋼筋混凝土材料為主，主要可以劃分為筒體與平面兩種形式，其中后者主要用于高層建筑物或構(gòu)筑物中，是由樓梯間、電梯間、設(shè)備間以及輔助用房幾部分的間隔墻所共同構(gòu)成，可以對(duì)水平荷載進(jìn)行有效承載；后者則可以用在無(wú)梁蓋板與剛砼框架結(jié)構(gòu)等中，主要是為了增加主體結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力、強(qiáng)度與剛度而存在的。

2.2 特征分析

鑒于剪力墻結(jié)構(gòu)本身的類別會(huì)直接影響我們?cè)O(shè)計(jì)剪力墻的效果，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)之前需要對(duì)其種類進(jìn)行界定，具體可以劃分成如下幾個(gè)類別：

①整截面墻。該種剪力墻主要是指墻面上不設(shè)置洞口結(jié)構(gòu)或者所設(shè)置的洞口面積占?jí)偯娣e比值不大于16%，且洞口長(zhǎng)邊尺寸比洞口凈距以及墻邊與洞口二者之間的凈距更小。該種類型的剪力墻本身受力情況類似于整體式懸臂構(gòu)件，相應(yīng)的向應(yīng)力通常需要依據(jù)線性分布。為了更好地發(fā)揮其受力性能，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展設(shè)計(jì)期間需要注意在墻肢兩端部位處來(lái)設(shè)置豎向鋼筋。

②整體小開(kāi)洞墻。該種類型剪力墻在墻面上的開(kāi)洞口面積要大于整截面墻，且其洞口布設(shè)方向是采取按列布設(shè)的方式進(jìn)行上下對(duì)齊布設(shè)，這樣可以形成比較明顯的連梁和墻肢結(jié)構(gòu)，并且它們本身的剛度分布也比較均勻，這樣可以更好地保證整體的設(shè)計(jì)效果。

③聯(lián)肢墻。該種剪力墻墻面上的窗口占比更大，一般超過(guò)了16%的總墻面比例，且相應(yīng)的洞口采取豎向排列設(shè)置方式，主要借助連梁來(lái)對(duì)各個(gè)墻體進(jìn)行有效連接。其中的墻肢本身具有顯著的應(yīng)用作用，并且會(huì)在連梁中間部位處形成反彎點(diǎn)，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)該部位的受力進(jìn)行科學(xué)分析，保障該部位的承載力等力學(xué)性能可以滿足剪力墻的實(shí)際使用需求和規(guī)定，確保其抗震、抗風(fēng)及承載等滿足規(guī)定要求。

3 建筑剪力墻設(shè)計(jì)的原則

在設(shè)計(jì)剪力墻的過(guò)程中，為了確保整體設(shè)計(jì)的效果，保證剪力墻設(shè)計(jì)過(guò)程可以遵從科學(xué)、有序、合理等基本設(shè)計(jì)思路，采取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)原則開(kāi)展設(shè)計(jì)，保證可以最大程度提高剪力墻設(shè)計(jì)的效果與效率，具體的設(shè)計(jì)原則要點(diǎn)如下：

①要確保剪力墻結(jié)構(gòu)滿足力學(xué)性能、使用性能以及位移限制等基本要求，確保其安全性的同時(shí)，提高其使用的性價(jià)比。比如，適宜采取規(guī)則、簡(jiǎn)單的剪力墻布設(shè)方式，并按照雙方向進(jìn)行布設(shè)，且兩個(gè)方向上設(shè)置的剪力墻剛度差異不可過(guò)大，否則容易出現(xiàn)比較嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。

②在滿足①這一設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，還要注意盡可能地縮減剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)數(shù)量。但是要保證所設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量滿足基本振型地震作用下的承載以及受力等基本要求和規(guī)定，如要保證其承受的地震傾覆力矩不高于1/2剪力墻結(jié)構(gòu)本身的總地震傾覆力矩。

③要確保剪力墻結(jié)構(gòu)本身承受的剪力不小于20%的總剪力。

④剪力墻結(jié)構(gòu)本身的長(zhǎng)度不宜過(guò)大，且應(yīng)該在長(zhǎng)度比較大的剪力墻上面開(kāi)設(shè)洞口，并將其劃分成長(zhǎng)度比較均勻的若干個(gè)墻段，墻段之間借助若連梁進(jìn)行科學(xué)連接。但是最長(zhǎng)的剪力墻墻長(zhǎng)長(zhǎng)度不宜超過(guò)8m。

⑤剪力墻設(shè)計(jì)中適宜首先在建筑外墻周邊，以及電梯或樓梯井筒位置處進(jìn)行布設(shè)。

⑥在布設(shè)剪力墻上面的窗口時(shí)，設(shè)計(jì)人員要采取成列布設(shè)方式，確保上下部的窗口位置對(duì)齊，避免錯(cuò)洞造成剪力墻上下傳力不連續(xù)問(wèn)題。

⑦在布設(shè)剪力墻期間，設(shè)計(jì)人員要依據(jù)房間布局的實(shí)際情況順著2個(gè)軸線方向進(jìn)行布設(shè)，且適宜設(shè)計(jì)為十字型、L型和T型等等。

⑧除了上述基本設(shè)計(jì)原則之外，在還要注意考慮剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性能，確保整體工程造價(jià)可以得到有效控制。

4 建筑剪力墻設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

4.1 做好結(jié)構(gòu)均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果產(chǎn)生極大影響，所以設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間需要做好結(jié)構(gòu)均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，即要保障所設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)整體受力的均衡性，避免出現(xiàn)局部受力情況，否則會(huì)對(duì)最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果帶來(lái)不利影響，這是確保剪力墻結(jié)構(gòu)整體安全性的重要保障，同時(shí)該種均衡設(shè)計(jì)方式也可以更好地節(jié)約工程造價(jià)成本。在開(kāi)展剪力墻結(jié)構(gòu)均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建筑實(shí)際平面布局情況來(lái)確定最佳的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)際方案，同時(shí)在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步制定滿足基本設(shè)計(jì)要求和規(guī)定的管理?xiàng)l例，密切監(jiān)督與檢查剪力墻結(jié)構(gòu)在后續(xù)施工階段的實(shí)際情況，一旦發(fā)現(xiàn)不符合現(xiàn)場(chǎng)施工的情況，就需要及時(shí)反過(guò)來(lái)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求全面確保所設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，使其可以均衡受力，避免因?yàn)椴痪馐芰Χ霈F(xiàn)破壞問(wèn)題。

4.2 做好結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

在開(kāi)展剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，為了為后續(xù)的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠、明確的指導(dǎo)，必須要立足整體視角來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體要點(diǎn)如下：①在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)期間，方向上適宜順著主軸方向開(kāi)展雙向布設(shè)剪力墻的方式，力求可以有效增強(qiáng)剪力墻空間結(jié)構(gòu)本身的完整性；針對(duì)具有抗震性要求的剪力墻結(jié)構(gòu)，要盡量避免采取單向設(shè)置剪力墻的結(jié)構(gòu)，并且在不同受力方向上設(shè)置的剪力墻抗側(cè)剛度需要盡可能地保持一致，這樣才能更好地額確保建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。在確保剪力墻結(jié)構(gòu)本身的承載力與抗側(cè)剛度滿足上述設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)，即做好剪力墻結(jié)構(gòu)重量的縮減，以此優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可以更好地增加內(nèi)部建筑機(jī)構(gòu)可以利用或使用的空間量。②如果面向于剪力墻的墻肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么相應(yīng)的截面設(shè)計(jì)適宜保持規(guī)則性和簡(jiǎn)單性，借助這種優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可以有效確保剪力墻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的效果，從而可以為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夯實(shí)基礎(chǔ)。

4.3 做好墻體配筋優(yōu)化設(shè)計(jì)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)墻體配筋的過(guò)程中，需要立足于增強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性與可靠性視角，靈活地選擇恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案，具體要點(diǎn)包括：①要優(yōu)選高質(zhì)量、高性能的材料。如在選擇鋼筋材料期間，要保證其整體使用質(zhì)量的基礎(chǔ)上，將垂直鋼筋和水平鋼筋分別合理地設(shè)計(jì)在剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部，這主要是因?yàn)榈氐紫碌膲w配筋量要比其他幾個(gè)部分更多，并且地下的土壓和水壓使得相應(yīng)的壓力更強(qiáng)。②在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)配筋率進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，一般可以依據(jù)工程測(cè)算和建議標(biāo)準(zhǔn)的最小配筋率進(jìn)行即可，這樣即可確保整體剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與安全性。與此同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)的鋼筋配筋率，也可以最大程度減少工程建設(shè)投資成本。③在確定剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度期間，不必嚴(yán)格依據(jù)最小厚度是200mm 這一規(guī)定。如果在滿足基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和規(guī)定的基礎(chǔ)上，靈活地選用160mm 和180mm 厚度尺寸的剪力墻，同時(shí)還要注意對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，力求全面提升剪力墻結(jié)構(gòu)中的配筋設(shè)計(jì)效果。

4.4 做好剪力墻連梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建筑剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)高層建筑的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程和技術(shù)要求可知，如果連梁本身具有不同的高跨比，那么其截面所受到不同的剪受承受力，所以在實(shí)際的剪力墻設(shè)計(jì)重要注意對(duì)連梁進(jìn)行塑性調(diào)幅處理，力求可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行減小的目標(biāo)。而在實(shí)際的連梁優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可以采取如下兩個(gè)方法進(jìn)行確定：其一，在內(nèi)力計(jì)算之前，要首先對(duì)連梁的剛度進(jìn)行折減；其二，在計(jì)算內(nèi)力之后，可以將連梁彎矩和剪力二者的組合值同相應(yīng)的折減系數(shù)進(jìn)行相乘。無(wú)論采取上述哪一種連梁設(shè)計(jì)方法，都要注意保證剪力值不小于相應(yīng)的使用值，否則在地震作用下非常容易誘發(fā)裂縫問(wèn)題，影響剪力墻結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)固性與安全性。

4.5 做好剪力墻底部加強(qiáng)部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了確保整體剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，其中底部部位占有非常重要的地位，會(huì)對(duì)整體剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性產(chǎn)生極大影響，所以設(shè)計(jì)人員也要注意優(yōu)化設(shè)計(jì)底部加強(qiáng)部位。通常而言，在對(duì)底部加強(qiáng)部位的高度進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，可以選擇嵌固部位之上1/10 墻肢總高度與底部?jī)蓪痈叨犬?dāng)中的較大值；如果建筑底部設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)換層，那么在設(shè)計(jì)剪力墻底部加強(qiáng)部位的過(guò)程中，可以使對(duì)應(yīng)的高度值確定為框支層加上框支層以上2層的高度或者1/10墻肢總高度二者當(dāng)中較大值。通過(guò)這種底部加強(qiáng)部位高度設(shè)計(jì)方式，可以更好地確保所設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和可靠性，避免因?yàn)榈撞考訌?qiáng)部位設(shè)計(jì)不合理而危及其使用的安全性。

4.6 做好其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

除了上述剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)部分之外，為了進(jìn)一步提高剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，還要重點(diǎn)做好如下幾個(gè)方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作：①合理設(shè)計(jì)層間最大位移及層高比?；谙嚓P(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定可知，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要作用就是對(duì)樓層間的剪切或扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行控制，這時(shí)候設(shè)計(jì)人員可以采取對(duì)豎向構(gòu)件數(shù)量進(jìn)行控制的方式。否則如果沒(méi)有進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，那么必然會(huì)誘發(fā)更為嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形。因此，設(shè)計(jì)人員可以采取設(shè)計(jì)偶數(shù)數(shù)目的豎向構(gòu)件的方式來(lái)降低扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題發(fā)生概率。②在設(shè)計(jì)樓層最小剪力系數(shù)期間，設(shè)計(jì)人員需要參照設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，對(duì)剪力墻的設(shè)計(jì)數(shù)量進(jìn)行控制，一般可以通過(guò)減少剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)量，并增大剪力墻布設(shè)開(kāi)間的方式來(lái)增大剪力墻結(jié)構(gòu)本身的側(cè)向剛度，力求可以降低地震作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性帶來(lái)的不利影響。

總之，剪力墻結(jié)構(gòu)是確保建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性、可靠性與安全性的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)形式。在剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，遵從科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性等基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，切實(shí)做好連梁、墻體配筋、底部加強(qiáng)部位等關(guān)鍵部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，力求全面提升剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。