高層建筑剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王振濤 梅利芳

摘要：指出了高層建筑在設(shè)計(jì)階段，往往會(huì)存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置不合理的地方，在建筑完工后會(huì)存在一定的安全問(wèn)題，并且竣工的實(shí)際費(fèi)用與施工前的預(yù)算費(fèi)用有一定的差別，因此在前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。使得剪力墻布置方案更加合理，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力更加明確，對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要的作用。根據(jù)剪力墻設(shè)計(jì)的影響因素，從剪力墻墻肢的長(zhǎng)短、剪力墻的數(shù)量以及剪力墻的厚度方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出了在剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中該因素對(duì)高層剪力墻設(shè)計(jì)具體的影響結(jié)果，為剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)提供具體的優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：剪力墻;SATWE分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU973

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1674-9944（2020）14-0218-02

1?引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)取得了快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速率越來(lái)越快，然而隨著我國(guó)城市人口的逐漸增多，城市面積不足的問(wèn)題日益凸顯，為了解決這一問(wèn)題，城市的建筑不得不由低層向高層發(fā)展。在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，剪力墻的設(shè)計(jì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響因素比較大，因此剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵所在。

2?剪力墻結(jié)構(gòu)的概述

在國(guó)內(nèi)高層建筑的定義有著不同的標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)定義：高度超過(guò)24.6 m或者建筑的層數(shù)達(dá)到7層以上的建筑就是高層建筑;日本對(duì)高層建筑的定義：建筑高度超過(guò)31 m或者建筑的層數(shù)達(dá)到8層以上的建筑就是高層建筑;而我國(guó)認(rèn)為建筑高度超過(guò)28 m或者建筑層數(shù)在10層以及10層以上的建筑就是高層建筑。高層建筑結(jié)構(gòu)主要分為框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及框筒結(jié)構(gòu)等。在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻又稱為結(jié)構(gòu)墻和承重墻等，在結(jié)構(gòu)中主要承受來(lái)自于水平方向的地震力和風(fēng)荷載以及豎直方向的荷載，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生受彎破壞和受剪破壞。

剪力墻的類型可以根據(jù)其高厚比進(jìn)行分類，當(dāng)剪力墻的高厚比5≤hw/bw≤8時(shí)，此時(shí)的剪力墻稱為短肢剪力墻;當(dāng)厚度比hw/bw>8時(shí)，此時(shí)的剪力墻稱為普通剪力墻;當(dāng)厚度比2≤hw/bw≤4時(shí)，此時(shí)剪力墻稱為異形柱，異形柱主要應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)中。剪力墻的分類也可以根據(jù)剪力墻上洞口的大小進(jìn)行分類，可以分為整體截面墻、整體小開(kāi)口墻、聯(lián)肢墻和錯(cuò)洞墻等。整體截面墻的墻體上沒(méi)有洞口或者洞口的面積很小不足于對(duì)剪力墻造成影響;剪力墻上洞口的面積很小，所占?jí)w的面積大于15%小于30%，此時(shí)的剪力墻被稱為整體小開(kāi)口墻;當(dāng)剪力墻上的洞口不是均勻?qū)ΨQ，而是上下錯(cuò)洞布置的，此時(shí)的剪力墻被稱為錯(cuò)洞剪力墻。

3?剪力墻受力分析

在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的是整體截面墻，墻體在水平方向的外力作用下發(fā)生彎曲變形，彎曲變形引起的位移為um（y）。整體截面墻在外力均布荷載下的受力簡(jiǎn)圖如圖1所示。

剪力墻的受力可以看作在均布荷載q下一端固定一端自由的桿件結(jié)構(gòu)，可以得出在桿件端部位置彎矩的大小M=qH2/2，根據(jù)單位力法計(jì)算原理，在單位力F=1作用下，在任意位置處墻體在外力作用下的所引起的位移um（y）。

式（1）中：Mp（y）為均布荷載q作用下的彎矩，M1（y）為單位力作用下的彎矩。

由式（1）計(jì)算得出：

式（2）中：E是彈性模量，I是截面慣性矩，EI為抗彎剛度。

4?剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)措施介紹

本文以位于鄭州市惠濟(jì)區(qū)的融創(chuàng)瀚海5#樓為研究對(duì)象，根據(jù)建筑圖布置幾種不同的剪力墻布置圖，根據(jù)幾種不同的剪力墻結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計(jì)算分析得出剪力墻的幾個(gè)影響因素。方案一是在建筑圖的基礎(chǔ)上沒(méi)有考慮墻體的數(shù)量和墻肢的長(zhǎng)短，在隔墻位置處布置上了剪力墻;方案二綜合考慮了剪力墻的數(shù)量、墻肢的長(zhǎng)度以及連梁的跨度這些因素布置了剪力墻。然后利用STAWE對(duì)兩種不同的方案進(jìn)行計(jì)算分析，得出剪力墻的數(shù)量、墻肢長(zhǎng)度以及厚度對(duì)結(jié)構(gòu)有怎樣的影響。

4.1?方案一、二周期對(duì)比分析

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，方案一和方案二的周期對(duì)比圖如圖2所示。

從對(duì)比圖中可以看出：方案一的周期大于方案二的周期，可以得出在相同的外力作用下，方案二的剛度大于方案一的剛度。從剪力墻變化的角度去分析，方案一相比于方案二剪力墻的變化是剪力墻的墻肢變短，局部有T型截面轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)型截面。根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定：“結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的第一振型周期與平動(dòng)的第一振型周期之比應(yīng)小于0.9”。因此，在剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的這個(gè)計(jì)算參數(shù)不滿足要求的時(shí)候，可以通過(guò)修改剪力墻的數(shù)量以及剪力墻墻肢的長(zhǎng)短來(lái)滿足計(jì)算結(jié)果的要求。

4.2?方案一、二層間位移、層間位移角對(duì)比分析

樓層的層間位移在外力的作用下，每層位移的相對(duì)值，也直接的反應(yīng)了樓層剛度大小，兩方案的層間位移計(jì)算對(duì)比圖如圖3所示。

在地震力的作用下，方案一的層間位移大于方案二的層間位移，根據(jù)層間位移的原理可以得出方案一的樓層剛度小于方案二的樓層剛度，因此可以得出剪力墻結(jié)構(gòu)的布置圖中剪力墻的數(shù)量以及墻肢的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)樓層的層間位移產(chǎn)生影響。層間位移角的定義：樓層的層間位移與樓層層高比值的大小就是層間位移角?！犊挂?guī)》規(guī)定：“剪力墻結(jié)構(gòu)中樓層的最大層間位移為1/1000，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，當(dāng)樓層的某一層的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的層間位移角不足的時(shí)就說(shuō)明了在該節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度過(guò)小，導(dǎo)致層間位移角不滿足規(guī)范要求”，因此在不影響建筑使用功能的前提下，通過(guò)改變剪力墻的墻肢長(zhǎng)度或者剪力墻的數(shù)量來(lái)增大該節(jié)點(diǎn)處的剛度，使得結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范要求。

4.3?方案一、二內(nèi)力對(duì)比分析

根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定：A級(jí)高度的高層建筑中樓層的受剪承載力不宜小于上一層的80%，不應(yīng)小于上一層的65%，B級(jí)高度中樓層的受剪承載力不宜小于相鄰上一層的75%，并且結(jié)構(gòu)的受剪承載力無(wú)突變。方案一和方案二的受剪承載力計(jì)算對(duì)比如圖4所示。

從圖4中可以看出：樓層一的受剪承載力大于方案二的受剪承載力，根據(jù)樓層受剪承載力的定義可知，受剪承載力主要是判別樓的薄弱層，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生受剪破壞，因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，當(dāng)樓層的受剪承載力不足時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整剪力墻的數(shù)量或者剪力墻墻肢的長(zhǎng)度來(lái)使得樓層的受剪承載力滿足規(guī)范要求。

在另一個(gè)方面內(nèi)力傾覆力矩的對(duì)比分析中，優(yōu)化后方案二的傾覆力矩比未經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案一的傾覆力矩小，根據(jù)傾覆力矩的定義可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建尺寸一樣時(shí)，傾覆力矩越大，所配置的鋼筋量也越大，所以經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的方案二比方案一的配筋小，也符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的“經(jīng)濟(jì)性”原則。

5?結(jié)語(yǔ)

未來(lái)，城市中的高層建筑結(jié)構(gòu)會(huì)越來(lái)越多，因此高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在城市發(fā)展的道路上起著至關(guān)重要的作用，然而在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)既是對(duì)自己的要求，也是對(duì)社會(huì)的負(fù)責(zé)。

通過(guò)上述幾個(gè)方面的對(duì)比分析圖中可以得出，在高層剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，剪力墻數(shù)量的減少、剪力墻墻肢的減短都會(huì)使結(jié)構(gòu)的振型周期變大，結(jié)構(gòu)的層間位移以及層間位移角也會(huì)受到剪力墻數(shù)量以及墻肢長(zhǎng)短的影響，具體的影響是：當(dāng)剪力墻的數(shù)量減少或則剪力墻墻肢的長(zhǎng)度減短時(shí)，樓層的層間位移以及層間位移角都會(huì)增大，反之會(huì)較小。在內(nèi)力方面的指標(biāo)，剪力墻的數(shù)量和墻肢的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力造成一定的影響。因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求或者不是最優(yōu)時(shí)，就可以通過(guò)調(diào)整剪力墻的數(shù)量或者剪力墻墻肢的長(zhǎng)度來(lái)完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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