高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設(shè)計探討

王術(shù)利

天津海奧房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 天津 300384

引言

在國家部門大力支持下，我國建筑行業(yè)得到了迅速發(fā)展。其中，剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，為建筑設(shè)計質(zhì)量和建筑整體性能的提升提供了技術(shù)支持。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、承載力較強(qiáng)，并且抗震、抗風(fēng)性能好，在高層建筑中應(yīng)用越來越廣泛。因此，研究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用具有積極的社會意義。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)形式特點

剪力墻又稱抗震墻，該結(jié)構(gòu)形式在承受外力的情況下所受側(cè)向變形小，承載力大，延展性較好，因此其抗震性能比較好。但是剪力墻結(jié)構(gòu)形式在進(jìn)行平面布置時會有一定局限性，其間距較小，空間會顯得稍微局促，因而廣泛應(yīng)用在住宅、酒店、公寓等建筑中，而公共建筑應(yīng)用較少。隨著短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，室內(nèi)布局改造的靈活性得到增加，但有試驗研究表明該布置是以降低整個結(jié)構(gòu)受力性能為代價的，雖然降低幅度較小，但在設(shè)計中還需根據(jù)建筑物整體情況慎重選擇[1]。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分類

2.1 整體墻

剪力墻結(jié)構(gòu)自身具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且抗拉和抗壓能力都比較強(qiáng)，整體墻孔洞比較大，但是數(shù)量少，部分墻體上并沒有設(shè)置孔洞，從受力方向上來看屬于豎向受力的情況。從水平結(jié)構(gòu)來看，較大的荷載會使剪力墻的高度和寬度擴(kuò)大，導(dǎo)致墻體界面出現(xiàn)變形的情況。整體墻截面雖然可能會出現(xiàn)變形，但是仍然符合剪力墻標(biāo)準(zhǔn)，墻體正面在應(yīng)力的影響下形成線性分布，使墻體始終保持安全性和穩(wěn)定性。

2.2 壁式框架剪力墻

在進(jìn)行該部分設(shè)計時，其內(nèi)部墻體的開洞尺寸相對較大，并且能夠產(chǎn)生一定的節(jié)點區(qū)。

2.3 聯(lián)肢墻

聯(lián)肢墻與小開口墻相似，都是孔洞比較大的墻體，如果開孔連接位置強(qiáng)度比墻肢小時，水平荷載將導(dǎo)致剪力墻連接位置出現(xiàn)反彎點的情況。這種結(jié)構(gòu)中每個墻肢都是獨立的個體，并獨立發(fā)揮作用。而這些獨立的墻肢個體進(jìn)行連接就會形成剪力墻，這種剪力墻也被稱為聯(lián)肢墻。

2.4 整體小開口剪力墻

整體小開口剪力墻在分布時，呈現(xiàn)出豎向分布的特點。該部分洞口在整體建筑設(shè)計中所占據(jù)的比例并不大。

3 影響高層建筑結(jié)構(gòu)選型的因素

除建筑本身的需求對其結(jié)構(gòu)選型有一定影響之外，還有以下幾方面影響因素：其一，高層建筑所處區(qū)域的環(huán)境條件，主要有場地條件、基本風(fēng)壓等；其二，建筑設(shè)計方案特征，主要有建筑高度、建筑形狀、建筑的高寬和長寬比例，其中建筑形狀可分為平面和三維兩種，對于平面形狀，主要是由其規(guī)則性、對稱性、質(zhì)量以及剛度偏心等要素共同組合而成；對于三維形狀，主要是由結(jié)構(gòu)高寬比、立面內(nèi)收形狀、塔樓以及層間剛度等要素共同組合而成[2]；其三，從建筑的使用功能角度來講，以此進(jìn)行劃分可將高層建筑分為居住、辦公、賓館以及綜合樓等幾種類型，在高層住宅建筑中，因其具有使用空間相對比較小，分隔性質(zhì)的墻體數(shù)量多，與此同時各樓層之間在平面布置上大體上相同，因此對于這部分的建筑適用于剪力墻結(jié)構(gòu)或者框架剪力墻結(jié)構(gòu)；其四，高層建筑具有施工量大，投資多的特征，如果縮短結(jié)構(gòu)施工周期，能夠促使建筑物快速投入實際應(yīng)用中，以此獲取到經(jīng)營效益；其五，在建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)以及維護(hù)方面，在概念階段做好結(jié)構(gòu)設(shè)計具有非常重要的意義，這個階段設(shè)計成果對整個工程經(jīng)濟(jì)效益而言具有直接性影響。

4 高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設(shè)計

4.1 合理設(shè)計剪力墻的位置

在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，墻體的布置位置和布置方式等對于建筑來說尤為重要，是建筑設(shè)計的基礎(chǔ)，也是保證建筑工程安全的關(guān)鍵。提升建筑的承載力同時，減少內(nèi)部修筑墻體的空間，為建筑內(nèi)部提供更大的結(jié)構(gòu)空間。建筑剪力墻的布置中需要保證合理的間距，剪力墻的分布不能過密，防止出現(xiàn)受力不均的情況。在剪力墻截面設(shè)計工作中還需要嚴(yán)格按照從下到上的順序進(jìn)行，這種設(shè)計方式是出于對剪力墻側(cè)墻體壓力的緩解。剪力墻布置設(shè)計中需要結(jié)合墻體高度要求對厚度進(jìn)行縮減，并綜合考慮混凝土等級。因此對于地震高發(fā)的地區(qū)，剪力墻設(shè)計中必須做好高度的設(shè)計，保證剪力墻的承載力和穩(wěn)定性。

4.2 嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)選型設(shè)計原則

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要遵循一般建筑設(shè)計的相關(guān)要求，同時滿足如下原則：①實際性原則，首先應(yīng)基于當(dāng)前的大數(shù)據(jù)總結(jié)當(dāng)前工程實際情況，然后根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗來制定符合該工程的各項指標(biāo)，以此從根本上保證整個建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計的實際性；②安全與使用原則，這兩項原則是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本原則；③個性化原則，應(yīng)將整個建筑中的重點部分具有特別之處體現(xiàn)出來，在這個過程中，還要做好對重要環(huán)節(jié)的管控工作，以此從根本上保證該部分符合工程設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的要求；④要基于最佳效益開展相應(yīng)的設(shè)計工作，從施工材料、機(jī)械設(shè)備、施工工藝等多個角度來進(jìn)行綜合分析，刪減不必要的內(nèi)容。

4.3 注重分析結(jié)構(gòu)受力點

首先，基于剪力墻結(jié)構(gòu)形式特點，設(shè)計中必須注意剪力墻結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計，要采用相應(yīng)的提高延性的措施，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗倒塌的能力。其次，高層建筑軸向結(jié)構(gòu)設(shè)計必須對建筑結(jié)構(gòu)承受荷載的基本情況予以明確，高層建筑受豎向荷載和水平荷載的影響較大，而剪力墻能對橫向及豎向荷載進(jìn)行協(xié)調(diào)和抵抗，即使在高強(qiáng)度的水平荷載作用下也可將其側(cè)移距離保持在合理范圍內(nèi)。

4.4 合理安排平面設(shè)計

在剪力墻設(shè)計時，首先要進(jìn)行平面設(shè)計。需要注意的是，剪力墻中心位置需要和墻體剛度保持一致，從而在最大程度上有效提升墻體的平衡能力。在設(shè)計時，根據(jù)主軸方向、多方向內(nèi)容進(jìn)行合理化安排。另外，在進(jìn)行平面設(shè)計時，還需要根據(jù)目前建筑行業(yè)發(fā)展的核心要求，選擇合適、環(huán)保、節(jié)能性材料。這樣不僅能夠在一定程度上有效提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時，還進(jìn)一步推動了建筑行業(yè)的健康發(fā)展。

4.5 強(qiáng)化剪力墻的延伸處理

建筑剪力墻設(shè)計中需要考慮可延伸性的問題，通過科學(xué)的方法和手段優(yōu)化剪力墻的設(shè)計結(jié)構(gòu)，保證剪力墻延伸能力符合要求。通過剪力墻結(jié)構(gòu)建設(shè)形式的分析可知，剪力墻自身具有延伸性的特點，但是要想保證延伸性作用的發(fā)揮，還需要采取有效的手段，提升剪力墻結(jié)構(gòu)的靈活性和使用的耐久性。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須對建筑物的承載水平標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行明確，保證設(shè)計的科學(xué)性。

4.6 剪力墻厚度設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)墻厚設(shè)計與高層建筑穩(wěn)定性設(shè)計相統(tǒng)一，設(shè)計人員要明確剪力墻厚度要求，采用合適的厚度設(shè)計，墻厚大于300mm時，則需要在端部中間設(shè)置鋼筋，并沿墻肢方向設(shè)置箍筋，以滿足剪力墻穩(wěn)定性、剛度和強(qiáng)度的要求。另外，為了給后期建筑施工帶來便利，在設(shè)計墻的厚度時，應(yīng)以結(jié)構(gòu)層高最小值來選取合適的剪力墻結(jié)構(gòu)厚度；結(jié)構(gòu)厚度確定后要對剪力墻結(jié)構(gòu)支撐點進(jìn)行明確，如支撐點可以采用剪力墻與剪力墻相交處及剪力墻與樓板交接處等；為了達(dá)到高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震要求，應(yīng)以建筑層數(shù)及施工材料來加強(qiáng)底層結(jié)構(gòu)設(shè)計，若建筑物處于地震頻率較大區(qū)域，還應(yīng)加強(qiáng)底部剪力墻結(jié)構(gòu)厚度，以此提高建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，達(dá)到剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震效果。

4.7 著重加強(qiáng)對大墻肢的處理

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮到其各方面性能對建筑質(zhì)量產(chǎn)生的影響。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要著重考慮到延性的作用。一般來講，如果建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)高度、寬度比在3以下時會達(dá)到最高的延性，彎曲能力較強(qiáng)，可提升建筑的荷載能力。如果高寬比在3以上就需要在墻體上開洞形成上文中提到的不同類型剪力墻結(jié)構(gòu)，減少裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)大墻肢的比例在8以上時，要把承載力計算在大墻肢上，但會造成小墻肢承載力增加，產(chǎn)生較大的損害，從而出現(xiàn)裂縫。

4.8 剪力墻水化熱

大多數(shù)混凝土項目施工所選擇的水泥材料為水化熱較低的水平，最大限度地降低混凝土凝固期間內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的溫差。同時施工人員需要根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)施工的具體情況，對施工方案進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)格控制水泥的凝固時間，最大限度地避免剪力墻施工完成后出現(xiàn)墻體偏移的問題。

4.9 剪力墻結(jié)構(gòu)計算優(yōu)化

在設(shè)計人員對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中，還需要對結(jié)構(gòu)是否合理進(jìn)行全面檢查。保證剪力墻剛度適宜，在符合樓層層間位移和層高比的前提下，將最小剪力系數(shù)作為比較，能夠保證計算結(jié)果符合規(guī)范值。同時還需要全面分析剪力墻連梁是否合理、底部軸壓比是否符合相關(guān)規(guī)范。合理選擇計算參數(shù)十分重要。首先，對周期折減系數(shù)進(jìn)行選擇。如果剪力墻結(jié)構(gòu)填充墻體較多，需要選擇0.9～1.0范圍內(nèi)參數(shù)；反之需要選擇1.0。主體結(jié)構(gòu)剛度大，填充墻對主體結(jié)構(gòu)影響較小，反之同理。其次，合理選擇振型個數(shù)。前提條件為振型參與質(zhì)量超過總質(zhì)量的90%。高層建筑地震作用振型數(shù)非耦聯(lián)，n≥9；耦聯(lián)，n≥15。

5 結(jié)束語

綜上所述，在實際工程設(shè)計中，為了進(jìn)一步強(qiáng)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計，就必須對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行綜合分析，根據(jù)分析論證對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計算，以此科學(xué)配筋，合理布置剪力墻結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)剪力墻連梁設(shè)計，從而使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性得以提高，達(dá)到設(shè)計規(guī)范的要求，促進(jìn)我國建筑設(shè)計水平的發(fā)展。