探討高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

夏仕洋

摘要：城市化水平的上升在很大程度上增加了城市居民人口，城市居民越多，在居住方面就給政府提出相應(yīng)的難題，在不改變土地范圍的基礎(chǔ)上就必須要提升土地的利用率。在這一背景下，高層建筑越來(lái)越多，在高層建筑的建設(shè)當(dāng)中，為了保證人們的安全性，必須要保證工程建設(shè)質(zhì)量，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該要積極應(yīng)用框剪結(jié)構(gòu)，提升高層建筑的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：高層建筑;框剪結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化措施

一、高層建筑框剪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高層建筑框剪結(jié)構(gòu)包括兩方面的內(nèi)容，一方面是框架結(jié)構(gòu)，另一方面就是剪力墻結(jié)構(gòu)，將這兩方面的內(nèi)容有效結(jié)合起來(lái)就形成框剪結(jié)構(gòu)?？蚣艚Y(jié)構(gòu)有著框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還能充分發(fā)揮這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，保證建筑平面空間的利用率，同時(shí)也具有良好的抗側(cè)力效果。高層建筑應(yīng)用抗剪結(jié)構(gòu)期間應(yīng)該要單獨(dú)設(shè)置相應(yīng)的剪力墻結(jié)構(gòu)，如通過(guò)電梯井、管道井等墻體布置相應(yīng)的剪力墻，應(yīng)用效果較好，在高層建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用范圍也比較廣泛。框架結(jié)構(gòu)變形為剪切型，剪力墻結(jié)構(gòu)變形則是彎曲性，框剪結(jié)構(gòu)充分結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，在協(xié)同工作下變形形成彎剪型的變形，其剛度在剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)之間。從框剪結(jié)構(gòu)的受力情況來(lái)看，相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度來(lái)說(shuō)，剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度更大，一般來(lái)說(shuō)，在同樣的水平載荷作用下，多數(shù)側(cè)向力均是由剪力墻承擔(dān)，框剪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就在于延展性比較好，布置具有一定的靈活性，同時(shí)剛度也比較大。

二、高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（一）抗震性能設(shè)計(jì)

高層建筑相比于低層建筑來(lái)說(shuō)安全性更讓人關(guān)注，高層建筑如果抗震性能不好可能會(huì)受到外界因素導(dǎo)致坍塌，給高層建筑居民的人身安全與財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的影響?？蚣艚Y(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)首先是能提升高層建筑的抗震能力，在很大程度上保證居民的安全性，在設(shè)計(jì)上能將剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為帶邊框且四周有梁柱的形式，這種設(shè)計(jì)方式能在很大程度上避免高層建筑出現(xiàn)斜裂縫，同時(shí)還能向相鄰墻面進(jìn)行擴(kuò)展，體現(xiàn)出延展性好的特點(diǎn);當(dāng)墻體受到外界因素的破壞時(shí)，也可以將其作為承重構(gòu)件，能起到承重的作用。其次是抗震性能設(shè)計(jì)能在很大程度上控制每肢墻的高度比，在一定程度上能避免剪切破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

（二）剪力墻設(shè)計(jì)

地震力的大小會(huì)受到剪力墻布置情況的直接影響，在設(shè)計(jì)工作中，通過(guò)增加剪力墻的剛度設(shè)計(jì)，則建筑結(jié)構(gòu)的整體水平地震作用也會(huì)隨之加大，剪力墻結(jié)構(gòu)剛度越大、數(shù)量越多，則周期也就越短，地震作用也會(huì)隨之增強(qiáng)，為了能在高層建筑中充分發(fā)揮框剪結(jié)構(gòu)的作用，就必須要做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，保證底部承受的地震彎矩值高于總值的一半。如果框剪結(jié)構(gòu)底部的剪力值比較小，則應(yīng)該要適當(dāng)增加剪力墻的使用數(shù)量，但必須要結(jié)合高層建筑的實(shí)際情況適當(dāng)增加，從而保證高層建筑框剪結(jié)構(gòu)剛度的安全性。在剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量中，要增強(qiáng)其數(shù)量需要結(jié)合高層建筑實(shí)際情況，不能無(wú)限制的增加數(shù)量，同時(shí)還要明確框剪結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，便于在布置剪力墻時(shí)明確相互之間的距離。要想滿(mǎn)足高層建筑對(duì)剛度的需求，就必須要合理估算剪力墻的布置數(shù)量，如果建筑物平面出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，則在凸凹部分布置剪力墻比較合理;在剪力墻的布置中，應(yīng)該要盡量將剪力墻落地，如果因建筑的實(shí)際情況不能將剪力墻落地，則應(yīng)該要在轉(zhuǎn)換層中采取相應(yīng)的措施布置剪力墻，便于充分發(fā)揮剪力墻的作用。

三、高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的注意要點(diǎn)

（一）剪力墻的劃分

剪力墻的洞口大小、數(shù)量以及位置等因素的不同，能夠?qū)⒓袅澐譃槿N類(lèi)型，分別為整截面墻、小開(kāi)口剪力墻以及聯(lián)肢墻。剪力墻的差異會(huì)影響到剪力墻的受力情況，整截面墻在受力變形之后就會(huì)形成彎曲型;小開(kāi)口剪力墻在受力變形之后則不但會(huì)形成彎曲型，且每一個(gè)墻肢均會(huì)出現(xiàn)局部彎矩。小開(kāi)口剪力墻由于開(kāi)口比較小，因此在發(fā)生形變之后仍然會(huì)處于彎曲型，聯(lián)肢墻則可能會(huì)因?yàn)檫B梁剛度比較小出現(xiàn)單獨(dú)彎曲的情況;壁式框架的特點(diǎn)在于洞口比較大，當(dāng)發(fā)生形變之后不會(huì)完全彎曲，可能會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域彎曲情況。

（二）明確剪力墻的厚度與數(shù)量

一般來(lái)說(shuō)，剪力墻的構(gòu)件應(yīng)該要有約束邊緣構(gòu)件，而對(duì)剪力墻約束邊緣構(gòu)件的橫截面厚度也有相應(yīng)的要求，通過(guò)剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其作用在于提升高層建筑的抗震性能，因此底部加強(qiáng)部位在其厚度上要求高于20厘米，同時(shí)需要超過(guò)層高的1/16;另外對(duì)其他部位剪力墻的厚度也有相應(yīng)的要求，一般需要超過(guò)16厘米，同時(shí)需要超過(guò)層高的1/20。在剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量上，通常是需要根據(jù)高層建筑的實(shí)際情況確定，同時(shí)要結(jié)合許可位移明確數(shù)量，高層建筑的框架剪力墻結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移與高度的比值應(yīng)該要低于1/800，在這一基礎(chǔ)上方能確定剪力墻的數(shù)量。由上文可知，剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度與高層建筑的抗震性能有較大的關(guān)聯(lián)，二者呈現(xiàn)出正比例線性關(guān)系，在這一背景下控制位移比較容易，因此可以通過(guò)自振周期判斷剪力墻的數(shù)量。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)自振周期的范圍應(yīng)該要維持在0.09～0.12Ns之間，其中Ns代表樓層，樓層數(shù)越大，則說(shuō)明剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度也會(huì)越大，地震周期縮小，應(yīng)用建筑素材也能得到相應(yīng)的優(yōu)化。以日本有關(guān)地震調(diào)查信息為例：在調(diào)查結(jié)果當(dāng)中表明，當(dāng)樓面平均剪力墻長(zhǎng)度在50厘米以?xún)?nèi)時(shí)地震災(zāi)害比較嚴(yán)重，而介于50～150厘米之間則地震災(zāi)害為中等，高于150厘米則地震災(zāi)害影響比較小。

（三）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)必須要根據(jù)相關(guān)原則進(jìn)行，如均衡、對(duì)稱(chēng)以及分散等，為了滿(mǎn)足這些原則，剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量不得太少，且要保證剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度，預(yù)防剪力墻結(jié)構(gòu)受力過(guò)于集中導(dǎo)致對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題。同樣的，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中也要重視對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)工作的規(guī)律性，充分滿(mǎn)足高層建筑的施工要求。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該要注意：在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的選擇上應(yīng)該要保持科學(xué)性，由于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能在一定程度上降低建筑物重量，但是在引用時(shí)應(yīng)該要保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性，如果應(yīng)用之后則可能會(huì)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響。其次是要將獨(dú)立的墻肢去除，這項(xiàng)工作會(huì)給施工帶來(lái)一定的難度;最后是要根據(jù)相關(guān)要求保證剪力墻結(jié)構(gòu)的剛性，剪力墻結(jié)構(gòu)的剛性會(huì)直接影響到施工的進(jìn)度，如果剛性過(guò)高則會(huì)增加地震力，在很大程度上可增加施工時(shí)間，損耗比較大，因此要結(jié)合高層建筑的實(shí)際情況科學(xué)控制剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度，保證高層建筑施工的有序進(jìn)行。

四、高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

（一）連梁設(shè)計(jì)優(yōu)化

連梁具有增加抗震的效果，是高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中比較重要的內(nèi)容，作用原理在于發(fā)生地震時(shí)通過(guò)消耗地震能量達(dá)到控制地震帶來(lái)的影響。如果高層建筑的連梁受到影響，則其他的抗震結(jié)構(gòu)也會(huì)受到相應(yīng)的影響，抗震結(jié)構(gòu)就此發(fā)生變化，這一變化會(huì)對(duì)整體的框剪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。因此在高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的連梁設(shè)計(jì)中應(yīng)該要采取有效的措施優(yōu)化連梁設(shè)計(jì)工作，在設(shè)計(jì)之前應(yīng)該要采取強(qiáng)剪弱彎?rùn)z驗(yàn)，保證本項(xiàng)工作的實(shí)施是在受損之后方可進(jìn)行的。在人為操作過(guò)程中，連梁縱筋工藝必須要保證達(dá)到強(qiáng)剪弱彎目標(biāo)之后方可開(kāi)展，由于在設(shè)計(jì)當(dāng)中只注重箍筋的增加，不能達(dá)到相應(yīng)的工作要求，且若是在連梁不能達(dá)到相應(yīng)管理要求下提升箍筋，則可能會(huì)導(dǎo)致連梁受到損壞，導(dǎo)致連梁不能充分發(fā)揮其作用。

（二）布置設(shè)計(jì)優(yōu)化

高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作必須要符合相應(yīng)的原則，其基本原則就在于必須要滿(mǎn)足相應(yīng)的規(guī)定，這一原則的存在目的主要是保證框剪結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心一致。在高層建筑框剪結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)當(dāng)中，墻肢的長(zhǎng)短與剪力墻的設(shè)計(jì)內(nèi)容均要符合科學(xué)性的基本要求，只有這樣才能不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗剪剛度，如果在設(shè)計(jì)當(dāng)中平面形式比較繁瑣或設(shè)計(jì)墻肢過(guò)長(zhǎng)則會(huì)出現(xiàn)多種問(wèn)題，給框剪結(jié)構(gòu)的應(yīng)用產(chǎn)生一定的影響，如發(fā)生局部區(qū)域剛度較大、受力比較集中等問(wèn)題。在大部分的時(shí)間當(dāng)中，都只需要簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)剪力墻即可，在設(shè)計(jì)工作當(dāng)中需要保證上下層剛度要求，因此在剪力墻設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該要遵守相應(yīng)的原則，如對(duì)稱(chēng)、分散以及均衡等，根據(jù)相關(guān)原則設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膲ζ?，在墻片的選擇上，可以應(yīng)用“一”字形墻片，同時(shí)，在剪力墻布置設(shè)計(jì)過(guò)程中，剪力墻結(jié)構(gòu)之間的距離應(yīng)該要滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定，在剪力墻的外縱軸上做好相應(yīng)的窗洞，提升剪力墻結(jié)構(gòu)的抗傾覆水平。

（三）抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化

高層建筑受到地震的影響比較大，為了能有效降低地震對(duì)高層建筑的影響，有關(guān)部門(mén)與相關(guān)機(jī)構(gòu)通過(guò)研究以往的地震數(shù)據(jù)，明確高層建筑框剪結(jié)構(gòu)對(duì)地震抵抗能力有一定的影響。高層建筑抗震能力的差異主要原因在于剪力墻結(jié)構(gòu)底層剛度與上層建筑剛度存在較大差異，在這一情況下，地震力會(huì)落在底層建筑，受到地震力的影響，底層建筑會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，最終影響到高層建筑的安全性與穩(wěn)定性。為此，在框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該要增加抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)工作中將設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)用于底層建筑的剛度與高層建筑的剛度差異上，通過(guò)縮小二者之間的差異，能在很大程度上提升高層建筑的抗震能力，最終起到抗震作用。由于地域的不同，區(qū)域地震等級(jí)也有一定的差異，在抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)該要充分考慮到當(dāng)?shù)氐牡卣鸬燃?jí)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域發(fā)展規(guī)劃，研究當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展特點(diǎn)，保證抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化工作能夠滿(mǎn)足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，滿(mǎn)足社會(huì)安全運(yùn)行的基本需求。

（四）地基設(shè)計(jì)優(yōu)化

相比于地基好的建筑環(huán)境來(lái)說(shuō)，地基差的區(qū)域其高層建筑框剪結(jié)構(gòu)更難落實(shí)，地基好的高層建筑工程在施工過(guò)程中可以應(yīng)用天然的地基或者應(yīng)用復(fù)合地基開(kāi)展相應(yīng)的操作，但是需要保證最終的設(shè)計(jì)方案應(yīng)該要根據(jù)高層建筑的實(shí)際施工情況以及剪力墻的距離合理調(diào)整。對(duì)于地基較差的高層建筑來(lái)說(shuō)，首先需要對(duì)地基進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證地基的穩(wěn)定性，才能保證高層建筑的穩(wěn)定性，為此必須要做好充足的準(zhǔn)備工作。如果建筑施工層數(shù)超過(guò)十層，通常會(huì)應(yīng)用到梁板式筏基;如果建筑施工層數(shù)超過(guò)二十層，則一般會(huì)應(yīng)用到平板式筏基。就目前我國(guó)現(xiàn)行的高層建筑框剪結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況來(lái)看，在設(shè)計(jì)上具有各種各樣的問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)浪費(fèi)情況，為此必須要做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。對(duì)于地基比較差的框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，可以應(yīng)用引用樁作為基礎(chǔ)，如果屬于小高層則可應(yīng)用獨(dú)立樁基承臺(tái)構(gòu)建梁板;如果是高層建筑則可應(yīng)用墻下承臺(tái)梁布樁構(gòu)建底板，保證地基的穩(wěn)定性，提升高層建筑的安全性。

結(jié)束語(yǔ)：

總而言之，框剪結(jié)構(gòu)的應(yīng)用結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在應(yīng)用過(guò)程中又將兩種結(jié)構(gòu)的劣勢(shì)有效制約起來(lái)，能在高層建筑中廣泛應(yīng)用。從目前的社會(huì)背景上看，如今人們對(duì)高層建筑的要求越來(lái)越高，商業(yè)高層建筑的體型也越來(lái)越復(fù)雜，將框剪結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑當(dāng)中能在很大程度上提升高層建筑的穩(wěn)定性、抗震能力以及安全性，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)該要做好框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作。

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