短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用研究

楊小奇

摘 要：在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于短肢剪力墻的研究已經(jīng)越來越深入，應用也越來越廣泛，然而在許多實際工程項目的設(shè)計應用中還是會有一些較為普遍的通病和難題，對現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師也是提出了新的要求和挑戰(zhàn)。對短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用特點、應用優(yōu)勢和存在問題進行深入分析，并從抗震性能、總體布局、設(shè)計參數(shù)、墻洞設(shè)計、軸壓比控制等方面對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效策略進行研究，旨在為高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，為高層建筑建設(shè)添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：短肢剪力墻；高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應用

中圖分類號：TU973.16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0043-03

0 引言

近年來，短肢剪力墻技術(shù)成為高層建筑工程建設(shè)中的一項至關(guān)重要的內(nèi)容。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中逐漸增加了對這項工作的重視，開展短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作重點是按照其結(jié)構(gòu)特點和優(yōu)勢，遵循相關(guān)設(shè)計原則，有效規(guī)避當前普遍存在的一些應用問題。與此同時，強化其結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用策略，為短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的施工應用奠定堅實的基礎(chǔ)。

有鑒于此，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)工作至關(guān)重要，順利開展此項工作，能為工程建設(shè)質(zhì)量提供保障，同時能為高層建筑的使用功能優(yōu)化和抗震性能強化提供可靠支持。

1 短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用概述

1.1 短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用特點

首先，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應用短肢剪力墻能更有效地節(jié)省空間，能夠有效規(guī)避平面總體布局中建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)的一些沖突，從而滿足不同高層建筑的個性化使用功能，提升建設(shè)單位的經(jīng)濟效益和客戶的使用體驗。

其次，通過短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應用，可以給予建筑設(shè)計師更大的設(shè)計空間，便于科學、靈活地對平面布置方案進行比選和優(yōu)化，通過各種個性化地布局來滿足客戶的各項特別需求，保障建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

再次，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算與異形柱較為相似，其往往存在典型的反彎點，使得該處的軸向應力和剪應力會比較大。所以在其設(shè)計計算中要對各種工況中的極限狀態(tài)較為敏感，尤其是不能忽視偏心抗拉、偏心抗壓、軸心抗壓、斜截面抗剪以及集中力造成的局部抗壓等多項驗算[1]，必須采用一整套科學的構(gòu)造設(shè)計措施來保證其抗震性能。

從次，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應用能夠降低剪力墻結(jié)構(gòu)的工程量，但會影響建筑的抗震性能，尤其是抗震性能驗算中，對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的翹曲變形較為敏感。因此要在平面布局中，盡量避免或減少在端部和邊緣部位設(shè)置短肢剪力墻，實在無法避免的情況下，也要設(shè)置足夠可靠的構(gòu)造措施。

最后，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的工程量相對較小，在滿足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，其鋼筋混凝土用量相對較少，經(jīng)濟優(yōu)越性較為明顯。

1.2 短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用優(yōu)勢

首先，由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的截面寬度以及高度相對較大，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢，因此與普通的剪力墻結(jié)構(gòu)相比，在建筑材料應用方面具有可觀的經(jīng)濟效益。

其次，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期相對較大，因此剛度也明顯較大，抗側(cè)移等方面的抗震性能較為優(yōu)越。

再次，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的平面布局設(shè)置方面靈活度高，對于高層建筑使用功能的個性化需求較為有利，且由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)之間只需要采用輕質(zhì)材料砌筑的隔墻予以填充，對于降低高層建筑結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)承載能力和抗震性能均能帶來有利影響。

最后，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中可以通過連梁設(shè)計，為整體結(jié)構(gòu)提供塑性鉸[2]，從而為高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震減傷帶來有效幫助。

2 短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用現(xiàn)狀

2.1 短肢剪力墻存在過度使用的情況

短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的缺陷和短板也是較為明顯的，尤其是在一些不合適的部位設(shè)置短肢剪力墻，將給整個高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能帶來極大的隱患。然而在許多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，設(shè)計師們往往片面地考慮空間美感和個性化設(shè)計，過度應用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)[3]，沒有對高層建筑結(jié)構(gòu)的整體性能進行全面考慮，毫不限制短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應用部位和應用數(shù)量，從而留下了抗震性能瑕疵和安全風險。

2.2 數(shù)據(jù)分析和計算的科學合理性有待提高

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須依靠合理的數(shù)據(jù)和資料支持，以及相關(guān)軟件的技術(shù)支撐。然而當前在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用較為廣泛的就是TAT與SATWE這兩款計算軟件[4]，它們的計算方式與側(cè)重點也是各有千秋。在實際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，若不重視項目的實際需求和不同計算軟件的差異化，就會造成高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計從總體上不夠科學。例如對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的截面寬度以及高度等各項參數(shù)的設(shè)置不合理，從而導致整個高層建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性受限，抗震性能降低。對于計算軟件的理解和把握能力不足，造成整個計算過程不夠嚴謹，實際計算與分析成果不夠合理。

2.3 規(guī)劃布局不夠嚴謹

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大都會采用鋼筋混凝土作為主要材料，以保障高層建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性能。通過保證結(jié)構(gòu)布置科學合理、結(jié)構(gòu)傳力體系清晰明確，以保障高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

然而就目前短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用來看，普遍存在總體布局和規(guī)劃不合理，導致結(jié)構(gòu)存在不對稱、重心不穩(wěn)、傳力不明確等問題。過量應用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，也可能導致高層建筑結(jié)構(gòu)剛度偏大而抗震性能偏弱的情況[5]。

2.4 設(shè)計方案尚需優(yōu)化

盡管短肢剪力墻結(jié)構(gòu)比普通的剪力墻在經(jīng)濟效益方面優(yōu)勢顯著，然而由于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師在實際設(shè)計工作中，由于工作周期太短、設(shè)計理念太保守等因素，導致其設(shè)計過程中對于工程經(jīng)濟指標的控制不嚴，導致資源浪費、經(jīng)濟效益未能落實等問題。有鑒于此，在今后的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中對于方案的優(yōu)化還是極為必要的。

3 短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用策略

3.1 抗震性能分析

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一旦在端部或邊緣部位設(shè)置了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，那么就使得整個高層建筑結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生了抗震性能短板，因此在這方面有必要提高認識、加強重視。如對于一字形的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，就要重視其連梁設(shè)計的構(gòu)造措施優(yōu)化，以及短肢剪力墻結(jié)構(gòu)截面寬度的指標控制[6]。與此同時，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中對于含鋼量和軸壓比的控制都是極為重要的，只有做好了這些工作，才能有效減輕短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的水平應力，從而避免建筑出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損。

3.2 總體布局分析

短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的總體布局必須全面考慮項目特點，盡量保證結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ，限制墻肢的軸向受力。在豎向設(shè)計方面，原則上要確保短肢剪力墻結(jié)構(gòu)上下一致，如果對截面寬度的設(shè)計存在豎向變化，要注意其自下而上均勻降低[7]。此外，要加強連梁的設(shè)計優(yōu)化和構(gòu)造措施，杜絕墻洞的錯位設(shè)計。就短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的截面寬度而言，也要綜合考慮，既要保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，也不能忽視降低結(jié)構(gòu)自重、提高經(jīng)濟效益。

3.3 設(shè)計參數(shù)分析

為確保參數(shù)設(shè)置和計算分析的科學合理，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師們應當學習和掌握新時代的信息技術(shù)，通過充分地整體計算和分析。例如通過應用TAT和SATWE這兩款軟件，甚至再加上其他軟件同步計算，并通過數(shù)據(jù)的對比分析，最終得出更科學的設(shè)計參數(shù)和更嚴謹?shù)脑O(shè)計成果[8]。

3.4 墻洞設(shè)計分析

首先，要對墻洞的空間位置進行科學布置，并通過合理的標準進行細化設(shè)計。只有確定好了墻洞的位置，才能保障短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置的合理性。期間還需注意墻洞的間距，按照項目的實際情況來設(shè)計合適的間距。

其次，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，對于墻洞的疊合有時會出現(xiàn)錯位，一旦發(fā)現(xiàn)這種情況，必須予以重視，盡量避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不規(guī)則和結(jié)構(gòu)復雜的狀況，必要時可以通過設(shè)置輕質(zhì)填充墻甚至重新設(shè)計短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的方式來進行糾偏[9]。

最后，BIM技術(shù)的應用對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的墻洞設(shè)計而言也是非常必要的，先進的新技術(shù)應用能夠?qū)Ω邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很大的幫助。

3.5 軸壓比控制分析

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的軸壓比控制是非常重要和必要的。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，如果短肢剪力墻結(jié)構(gòu)受壓過大，其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就會因為軸壓比太大以及其他各項不利情況的負面影響，甚至達到極限壓應變，使得高層建筑結(jié)構(gòu)的承載與變形性能都大大降低[10]。由此可見，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對軸壓比控制必須予以極度關(guān)注。

3.6 總結(jié)

本文對某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的短肢剪力墻進行分析，研究墻肢厚度對于高層建筑結(jié)構(gòu)特性和安全性的影響。設(shè)置墻肢厚度分別為0.2 m、0.225 m、0.25 m、0.275 m、0.3 m的5種方案，通過計算分析得出其墻肢軸壓比的變化趨勢如圖1所示。

從圖1中可以看出，對于同一種方案，隨著樓層越高，其軸壓比逐漸減小，每個樓層比其下一層的軸壓比減小約0.03左右。其中，對于墻肢厚度為0.2 m的方案，其第一層、第二層的軸壓比超出了規(guī)范要求的限值0.6，表明該方案不滿足設(shè)計規(guī)范要求。而對于其他四種方案，雖然都滿足設(shè)計規(guī)范要求，但是還需從經(jīng)濟和安全兩方面進行綜合考慮，作出取舍，從而最終選定最優(yōu)的方案。

4 結(jié)束語

雖然高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于短肢剪力墻的研究和應用已經(jīng)越來越深入、越來越廣泛，然而在許多實際工程項目的設(shè)計應用中還是會有一些較為普遍的通病和難題，這對于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師也是提出了新的要求和挑戰(zhàn)。因此結(jié)構(gòu)工程設(shè)計師們應當持續(xù)加強理論學習，不斷提升設(shè)計水平，對于新時代的科學技術(shù)和軟件應用要加深理解和把握，尤其是對于短肢剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)中的抗震性能、總體布局、設(shè)計參數(shù)、墻洞設(shè)計、軸壓比控制等方面都做到盡善盡美，從而才能交出安全可靠、經(jīng)濟合理的設(shè)計成果。

參考文獻

[1] 皮澤坤，阮大為.高層建筑結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻的設(shè)計和發(fā)展[J].中國科技信息，2021（5）：70-71.

[2] 劉振杰.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其抗震性能分析與研究[D].青島：青島理工大學，2021.

[3] 戚金紅.高層住宅工程短肢剪力墻的施工工藝探索[J].房地產(chǎn)世界，2021（1）：76-78.

[4] 馮寅和.小高層建筑結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻的設(shè)計要點[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（36）：33-34.

[5] 馮金蕊，李青寧，韓奇峰.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系在高層建筑中的應用[J].四川建筑，2009，29（5）：108-109+111.

[6] 馮遠亮.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在平面不規(guī)則超高層住宅的應用研究：以某平面為蝶形細腰超高層住宅為例[D].廣州：華南理工大學，2021.

[7] 陳煒.高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中短肢剪力墻的運用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2023（4）：19-21.

[8] 王明明，張金良.淺談短肢剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅抗震設(shè)計[J].綠色環(huán)保建材，2019（7）：71-72.

[9] 鄭衛(wèi).高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計探討.[J].工業(yè)建筑，2011， 41（S1）：236-239.

[10] 耿長春.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系在小高層住宅設(shè)計中運用探討[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2019，46（1）：16-17.