高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的特性分析

苗 強(qiáng)

太原市第一建筑工程集團(tuán)有限公司第四分公司，山西太原 030002

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的特性分析

苗 強(qiáng)

太原市第一建筑工程集團(tuán)有限公司第四分公司，山西太原 030002

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，高層建筑不斷增多，其新的結(jié)構(gòu)形式也不斷涌現(xiàn)，剪力墻結(jié)構(gòu)因其良好的抗震性能仍廣泛應(yīng)用于高層建筑。本文簡(jiǎn)要介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)的分類和特點(diǎn)，并對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的特性和布置要點(diǎn)做了探討。

高層建筑；剪力墻；特點(diǎn)

0 引言

高層建筑，是指層數(shù)較多、高度較高的建筑，但迄今為止，世界各國(guó)對(duì)多層建筑和高層建筑的劃分界限并不統(tǒng)一。我國(guó)內(nèi)地從50年代開始自行設(shè)計(jì)和建造高層建筑，隨著九五計(jì)劃和2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃的制訂，建筑業(yè)成為支柱產(chǎn)業(yè)，我國(guó)高層建筑的興建進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期。

從表面上看，高層結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是層數(shù)和高度，但實(shí)質(zhì)上，其特點(diǎn)是指水平荷載在設(shè)計(jì)中所占的主導(dǎo)地位。建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)承受垂直荷載和水平荷載作用。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)較少或高度較低時(shí)，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移影響較小甚至可以忽略不計(jì)。隨著層數(shù)或高度的增加，水平荷載的影響逐漸增大。而在高層建筑中，水平荷載將成為控制因素，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)或高度的增加以及荷載效應(yīng)的增大，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移迅速增加，軸向力與高度成正比，而彎矩與位移都呈指數(shù)曲線上升，尤其是位移增長(zhǎng)為高度的4次方。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)分類及其特點(diǎn)

框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活，分隔方便；整體性、抗震性能好，設(shè)計(jì)合理時(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力；外墻采用輕質(zhì)填充材料時(shí)，結(jié)構(gòu)自重小。但框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是剛度較小。橫向荷載作用下的側(cè)向變形大，正是這一點(diǎn)限制了框架結(jié)構(gòu)的建造高度。剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大，抵抗側(cè)向變形能力強(qiáng)；抗震性能較好，設(shè)計(jì)合理時(shí)結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力。隨著高層建筑的發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn)，除框架、剪力墻、框架一剪力墻三大結(jié)構(gòu)體系外、還有筒體、框架一筒體、剪力墻一筒體、筒中筒、巨型框架結(jié)構(gòu)體系和懸掛結(jié)構(gòu)體系等。

2 剪力墻的特性及布置方法

2.1 剪力墻特性

剪力墻是一種能較好的抵抗水平荷載的墻。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》)將其稱為抗震墻。剪力墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)墻面平整，具有抗側(cè)剛度大，側(cè)移??；結(jié)構(gòu)自重大，吸收地震能量大的特點(diǎn)，但是施工較麻煩，造價(jià)較高。剪力墻墻根據(jù)是否開洞和開洞大小，可以分為4類。一是實(shí)體墻或整截面剪力墻，是不開洞或開洞面積不大干15%的墻。如同一個(gè)整體的懸臂墻。在墻肢的整個(gè)高度上，彎矩圖既不突變，也無(wú)反彎點(diǎn)，變形以彎曲型為主；二是整體小開口剪力墻，是開洞面積大于15%但仍較小的墻。彎矩圖在連梁處發(fā)生突變，但在整個(gè)墻肢高度上沒(méi)有或僅僅在個(gè)別樓層中才發(fā)生反彎點(diǎn)。整個(gè)剪力墻的變形以彎曲型為主；三是雙肢或多肢剪力墻，是開洞較大或洞口成列布置的墻。受力特點(diǎn)與整體小開口墻相似；四是壁式框架，其洞口尺寸大，連梁線剛度與墻肢線剛度相近的墻。彎矩圖在樓層處發(fā)生突變，而且在大多數(shù)樓層中都出現(xiàn)反彎點(diǎn)。整個(gè)剪力墻的變形以剪切型為主，與框架的受力相似。剪力墻除了可以按墻面是否開洞和開洞大小進(jìn)行劃分外，還可以根據(jù)墻肢截長(zhǎng)度與寬度之比劃分為普通剪力墻、短肢剪力墻、小墻肢短肢剪力墻和異形柱。

2.2 剪力墻布置的注意事項(xiàng)

第一，剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置；抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式，以使其具有較好的空間工作性能，并宜使兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度接近。剪力墻要均勻布置，數(shù)量要適當(dāng)。剪力墻配置過(guò)少時(shí)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不夠；剪力墻配置過(guò)多時(shí)，墻體得不到充分利用，抗側(cè)剛度過(guò)大，會(huì)使地震力加大，自重加大，并非有利；第二，剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對(duì)齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位不宜采用錯(cuò)洞墻；一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻均不宜采用疊合錯(cuò)洞墻；第三，為了避免剪力墻脆性破壞，較長(zhǎng)的剪力墻宜開設(shè)洞口(用砌體填充)，將其分成長(zhǎng)度較均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱梁連接，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2。墻肢截面高度不宜大于8m。第四，剪力墻宜自下到上連續(xù)布置，避免剛度突變；第五，應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩，以保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性。當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時(shí)，應(yīng)采取相關(guān)措施減少梁端部彎矩對(duì)墻的不利影響。

剪力墻是主要的抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因其剪力墻的水平剛度大，容易滿足小震作用下結(jié)構(gòu)尤其是高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移限制。但是，建筑物剛度的大小，歷來(lái)爭(zhēng)議較多。對(duì)于鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，歷次震害表明，剛度較大的結(jié)構(gòu)一般震害較輕。但是，結(jié)構(gòu)剛度不能無(wú)限制增大，因?yàn)樵谝话闱闆r下，建筑物剛度越大，承受的地震水平力也隨之增大，工程費(fèi)用越高，這里有一個(gè)“度”的問(wèn)題。對(duì)高層建筑，控制這個(gè)“度”主要有兩個(gè)因素，一個(gè)是控制結(jié)構(gòu)的水平位移，首先應(yīng)使結(jié)構(gòu)水平位移滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中有關(guān)結(jié)構(gòu)水平位移的限值；另一個(gè)是控制地震力，因?yàn)樵诘卣鹆τ?jì)算值偏小的情況下，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移滿足要求、構(gòu)件為構(gòu)造配筋的“安全”假象，所以，只有底部剪力在合理范圍內(nèi)，檢查位移、內(nèi)力及配筋情況才有意義，規(guī)范規(guī)定剪力墻結(jié)構(gòu)的底部剪力系數(shù)a(底部剪力／結(jié)構(gòu)自重)的范圍防止剪力過(guò)小?？刂七@兩個(gè)因素落實(shí)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面就是對(duì)剪力墻進(jìn)行合理布置，主要是剪力墻布置的數(shù)量和位置，以及部分構(gòu)造措施的具體應(yīng)用，這些內(nèi)容在《高規(guī)》中沒(méi)有明確的規(guī)定，工程師出于結(jié)構(gòu)安全、方便設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期等考慮而把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得偏于保守，一定程度上沒(méi)有充分發(fā)揮材料的性能，造成了一定的浪費(fèi)。因此，深入開展對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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TU206

A

1674-6708（2010）28-0086-02

苗強(qiáng)，助理工程師，工作單位：太原市第一建筑工程集團(tuán)有限公司第四分公司，職務(wù)：生產(chǎn)科項(xiàng)目部副經(jīng)理