高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中軟弱層的控制方法

余明揚

(泉州市住宅建筑設(shè)計院，福建 泉州 362000)

0 前 言

為進一步提升現(xiàn)代高層建筑設(shè)計的安全性，設(shè)計人員必須根據(jù)用戶的需求與市場環(huán)境的變化調(diào)整結(jié)構(gòu)體系，推出更為簡單、直觀、建造難度較低的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，革新剪力墻框架結(jié)構(gòu)體系，拓展框架的設(shè)計路徑與構(gòu)造空間，適當?shù)靥嵘袅Y(jié)構(gòu)的剛度，避免高層建筑中位于較高層數(shù)的樓層在外部壓力的影響下發(fā)生位移，防止造成建筑物不穩(wěn)定的軟弱層出現(xiàn)，顯著強化建筑物的防震性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。設(shè)計者應(yīng)當立足于具體情況，為剪力墻結(jié)構(gòu)選擇適當?shù)奈恢门c尺寸，讓高層建筑中不同樓層的側(cè)向剛度保持完全一致，以此均勻分配建筑物的橫向壓力與側(cè)向壓力，全面提升建筑內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的荷載能力，避免建筑物因受力不均勻而發(fā)生程度不一的形變。

1 高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的基本特性

剪力墻結(jié)構(gòu)是我國高層建筑中常見的內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)之一，設(shè)計者應(yīng)當根據(jù)建筑本身的基本特性與構(gòu)造，選擇正確的剪力墻設(shè)計方法，緩解樓層所承受的壓力與形變負擔，統(tǒng)一剪力墻結(jié)構(gòu)的尺寸與大小，保證建筑的質(zhì)量符合行業(yè)主流的規(guī)定，在擴充剪力墻尺寸大小的同時縮減其厚度，強化剪力墻結(jié)構(gòu)的荷載能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時避免此類結(jié)構(gòu)因厚度過大而占據(jù)較大的建筑內(nèi)部空間。設(shè)計人員必須把握剪力墻的受力關(guān)系，提出能夠幫助墻體緩解橫向與豎向壓力的設(shè)計方案，認識到墻體結(jié)構(gòu)所承載的結(jié)構(gòu)性負擔，降低墻體的受力水平，控制造成剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化的環(huán)境因素，控制結(jié)構(gòu)的自振周期，合理應(yīng)用高層次的建筑技術(shù)[1]。

高層建筑的設(shè)計者必須根據(jù)具體的建筑質(zhì)量要求，調(diào)整建筑內(nèi)外墻的設(shè)計方式，讓高層建筑不同樓層的主梁與承重墻構(gòu)成較為完善的平面結(jié)構(gòu)框架，控制框架體系的布置方向，通過設(shè)計水平荷載較大的建筑結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)側(cè)向剛度。此類建筑結(jié)構(gòu)所占用的空間較為狹小，墻體結(jié)構(gòu)之間的間距較大，導(dǎo)致建筑的平面設(shè)計方式受到了一定的限制[2]。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要點分析

2.1 控制剪力墻的厚度，節(jié)省建筑內(nèi)部空間

剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式與高層建筑的穩(wěn)定性息息相關(guān)，為了滿足基本的設(shè)計質(zhì)量要求，必須基于穩(wěn)定性原則設(shè)計建造方案，控制墻體的厚度，在墻體的整體厚度超過固定標準時，設(shè)計人員可在墻體端部設(shè)計多個連接點，并使用經(jīng)過強化的鋼筋插入此類連接點，以此全面提升墻體的穩(wěn)定性與抗偏移能力，滿足基本的墻體厚度、剛度、承載能力的要求，讓受到過大壓力的墻體在鋼筋的支撐下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免因各類自然災(zāi)害影響發(fā)生墻體龜裂或結(jié)構(gòu)性位移、形變問題。工程建造人員在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)的各項基本屬性時，必須結(jié)合實際情況做出正確的分析與預(yù)判，基于建筑的層數(shù)與基本構(gòu)造調(diào)整剪力墻的厚度，對設(shè)計方案做出一定的調(diào)整，選擇可強化結(jié)構(gòu)荷載能力、分散應(yīng)力的正確支撐點，設(shè)計人員通常在剪力墻與樓板、門框的交界處設(shè)置多個支撐點，保證高層建筑的強度能夠達到計劃中的抗震能力標準，主動使用多種能夠起到加固作用的工程材料，強化建筑底部剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體厚度[3]。

2.2 調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)布局，豐富建筑使用功能

設(shè)計人員必須明確認識到高層建筑物的基本功能，結(jié)合建筑物的主要使用方式與住戶的個人需求，調(diào)整剪力墻的設(shè)計方案，推出富有新意的設(shè)計計劃，主動將剪力墻結(jié)構(gòu)布置于建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)性壓力較大的位置，如走廊的轉(zhuǎn)角部位、懸空的獨立陽臺等，降低不同樓層所承載的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力，保證剪力墻能夠融入建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之中，使之維持雙向均勻、對稱統(tǒng)一的形態(tài)，降低剪力墻結(jié)構(gòu)之間的空間距離，讓建筑平面的重心保持穩(wěn)定狀態(tài)，保證剪力墻發(fā)揮空間隔離效果，突出內(nèi)在建筑結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性與合理性，在剪力墻的內(nèi)部交接位置設(shè)計多個橫向的構(gòu)件，強化建筑樓層在平面邊緣位置的荷載能力與穩(wěn)定性，滿足設(shè)計計劃中的剛度要求[4]。

2.3 找出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要受力點

設(shè)計者必須根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平力與豎向力的客觀作用機制，調(diào)節(jié)剪力墻的延性設(shè)計，讓建筑結(jié)構(gòu)具備較強的結(jié)構(gòu)緊密性與延展性，避免因墻體剛性過大而造成結(jié)構(gòu)形變，分析建筑結(jié)構(gòu)所承載的內(nèi)部應(yīng)力的具體來源，把握剪力墻建造的基本原則，避免建筑內(nèi)部的壓力集中作用于某一樓層中的剪力墻結(jié)構(gòu)上，而是應(yīng)當推出全新的截面設(shè)計，將剪力墻設(shè)置在建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要受力點附近，突出剪力墻結(jié)構(gòu)的分散性與均衡性，防止因樓層平面面積過大導(dǎo)致應(yīng)力分散、加劇結(jié)構(gòu)的形變速度[5]。

3 提升結(jié)構(gòu)強度、避免出現(xiàn)軟弱層的正確設(shè)計方法

3.1 控制主梁剛度，拓展連梁的截面面積

為了全面強化高層建筑的結(jié)構(gòu)強度，使之滿足新時代建筑建造活動的基本要求，工作人員必須根據(jù)現(xiàn)代建筑行業(yè)的主流質(zhì)量標準，對剪力墻結(jié)構(gòu)的軸壓比進行調(diào)整，控制建筑結(jié)構(gòu)在橫向張力的影響下所產(chǎn)生的形變的具體幅度，降低剪力墻結(jié)構(gòu)中發(fā)揮支撐作用的鋼筋的數(shù)量，讓高層建筑在地震等自然災(zāi)害的影響下保持穩(wěn)定，強化建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力性能，拓展剪力墻主梁與連梁的截面面積，工作人員必須基于材料力學(xué)的基本原理，把握剪力墻的橫向荷載作用路徑，精確計算剪力墻在外界壓力影響下所發(fā)生的形變與位移的方向，研究在承載較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的情況下剪力墻的變形幅度大小。工作人員必須意識到剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁的基本特性，通過多種輔助性設(shè)計強化墻體的剛度，使之發(fā)揮在極端情況下分散建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)荷載的基本作用，讓內(nèi)力從可控制的渠道發(fā)散到不同的樓層之中，通過強化連梁的承載能力，可使之達到既定的設(shè)計要求，避免產(chǎn)生意外的墻體受損或主梁彎曲等問題，適當?shù)靥嵘B梁的高度，以此提升其抗剪能力。

3.2 把握設(shè)計要點，強化建筑的抗震能力

為了提升建筑結(jié)構(gòu)的抗壓能力，保證高層建筑不同樓層所承載的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與壓力處于同一層級，設(shè)計人員應(yīng)當根據(jù)實際情況，重點強化建筑底部結(jié)構(gòu)的承載能力與穩(wěn)定性，控制建筑在極端的水平位移狀態(tài)的力矩，適當?shù)靥嵘袅Φ募袅υO(shè)計值，增加截面的厚度，縮小剪力墻結(jié)構(gòu)所占用的建筑物內(nèi)部空間，將剪力墻墻體的截面厚度控制在2～3 cm，提升剪力墻的穩(wěn)定性，在較大的范圍內(nèi)強化剪力墻的荷載能力，提升建筑物的抗震能力，做出連接剪力墻豎向平面與橫向平面的有效設(shè)計方案，縮小墻軸與建筑物重心的距離，保障上下建筑樓層在應(yīng)力分散結(jié)構(gòu)層面的一致性，形成強度較高、切入點較為明顯的抗側(cè)力，保證建筑物的主體結(jié)構(gòu)的完整性，限制樓層之間位移運動的范圍與幅度大小。

3.3 安裝剪力墻構(gòu)件，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

設(shè)計人員應(yīng)當根據(jù)具體的建筑質(zhì)量要求，調(diào)整不同樓層中剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量與具體的長度，強化建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度，在提升結(jié)構(gòu)層數(shù)的同時，分散不同樓層所承受的豎向荷載，添加更多的剪力墻構(gòu)件，控制承受不同等級壓力的剪力墻結(jié)構(gòu)的軸壓比，剪力墻結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其所承受的水平橫向荷載就越大，為了滿足主流的軸壓比需求，工作人員必須在剪力墻結(jié)構(gòu)中添加能夠分散壓力、緩沖水平地震作用的大型構(gòu)件，避免軟弱層的產(chǎn)生與擴張。例如在遭遇強度較大的水平應(yīng)力的作用時，剪力墻構(gòu)件能夠承受較大的重力荷載，防止剪力墻結(jié)構(gòu)底端的部分受到過大的壓力而發(fā)生形變或因混凝土結(jié)構(gòu)分裂而發(fā)生塌陷。工作人員應(yīng)當按照行業(yè)內(nèi)部的規(guī)范要求，嚴格控制剪力墻構(gòu)件的配置方式，選擇正確的安裝地點。

設(shè)計人員必須保證建筑內(nèi)部所安裝的剪力墻構(gòu)件能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用，分析剪力墻結(jié)構(gòu)在彈性形變活動中所承受的壓力與水平應(yīng)力，并以此為依據(jù)調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度與荷載能力，做好內(nèi)力分析工作，控制不同樓層之間位移角的大小，讓剪力墻結(jié)構(gòu)中的整體框架保持穩(wěn)定狀態(tài)。工作人員可借助高性能的計算機設(shè)備，分析、計算結(jié)構(gòu)自振周期，并以此為依據(jù)調(diào)整剪力墻的布置方式，選擇正確路徑添加具備較強荷載能力的構(gòu)件，提升剪力墻布置的合理性。

4 結(jié) 論

現(xiàn)代高層建筑設(shè)計應(yīng)當保證滿足不同樓層側(cè)向剛度一致的基本設(shè)計要求，全面強化剪力墻結(jié)構(gòu)的荷載能力，防止容易造成結(jié)構(gòu)性形變或墻體受壓開裂的軟弱層出現(xiàn)，讓建筑工程達到行業(yè)主流的質(zhì)量標準，使用正確的處理方法與加固方法，對不同樓層所承受的結(jié)構(gòu)性壓力進行調(diào)整，以此提升建筑工程的質(zhì)量，保證承建單位能夠獲得良好的經(jīng)濟效益與社會效益，使處于較高樓層的剪力墻結(jié)構(gòu)能夠克服造成水平位移與橫向偏移的自然災(zāi)害的影響，如風(fēng)災(zāi)、地震等，降低次生災(zāi)害的發(fā)生概率，嚴格控制高層建筑地基變形或因受壓過大而發(fā)生龜裂的問題。

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