淺談高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫雪蘭

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類活動(dòng)的需要,城市土地越來越緊張,高層及超高層建筑發(fā)展速度越來越快。一般的高層住宅多選用剪力墻結(jié)構(gòu),所以如何在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,使得高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理經(jīng)濟(jì)已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 高層建筑的概念設(shè)計(jì)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)規(guī)定:高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)全部采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻較多時(shí),應(yīng)布置筒體(或一般剪力墻),形成短肢剪力墻與筒體(或一般剪力墻)共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí),筒體和一般墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。一般認(rèn)為短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的40%～50%時(shí)屬于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能較差,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不好。所以在實(shí)際工程中尤其是地震區(qū)盡可能避免采用。設(shè)計(jì)中應(yīng)體現(xiàn)使其結(jié)構(gòu)豎向和水平向具有合理的剛度及承載力的分布,盡可能將剪力墻的墻肢截面高度(至少保證一肢)做的比8倍墻厚稍大,符合一般剪力墻,剪力墻也不必按開間布置,兩間合并布置為大開間剪力墻,同時(shí)滿足豎向荷載傳遞的要求。剪力墻盡可能設(shè)計(jì)成“L”形、“T”形,有利于剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時(shí)能夠形成較好的側(cè)向剛度。在同樣滿足規(guī)范的各項(xiàng)指標(biāo)的情況下,更能減輕結(jié)構(gòu)自重,減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件,有利于降低工程投資。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)于“L”形、“T”形剪力墻,當(dāng)一個(gè)方向的墻符合一般墻要求時(shí),另一個(gè)方向的墻肢不宜過短,較小的墻肢常常會(huì)出現(xiàn)較大的配筋,一般宜控制在1 m左右,使墻端暗柱配筋接近構(gòu)造配筋為宜。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本假定

剪力墻結(jié)構(gòu)是指一個(gè)完全由剪力墻抵抗水平荷載,承受豎向荷載的結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好,剛度大,在水平荷載作用下側(cè)向變形小。其計(jì)算的基本假定:

1)剪力墻結(jié)構(gòu)中每一片墻可以抵抗自身平面內(nèi)的水平力,而在平面外的剛度很小,可以忽略,但也不是完全不考慮,而是將其作為受力方向剪力墻的翼緣來計(jì)算。2)樓板在自身平面內(nèi)的剛度可視為無限大,而在平面外的剛度很小,可以忽略。即各片剪力墻通過樓板互相聯(lián)系協(xié)同工作,使各榀剪力墻保持變形協(xié)調(diào)。3)不考慮剪力墻的軸向變形及基礎(chǔ)扭動(dòng)影響。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理,下面是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)關(guān)注的幾種技術(shù)指標(biāo)的調(diào)整原則的淺析,若有不對(duì)之處,請(qǐng)廣大同行指正。

3.1 樓層最小剪力系數(shù)(剪重比)的調(diào)整原則

在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩不超過40%的前提下盡可能少布置剪力墻,以大開間剪力墻布置方案為目標(biāo),使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度,使樓層最小剪力系數(shù)接近規(guī)范限值(不小于限值)。這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重,有效減小地震作用的輸入,同時(shí)降低工程造價(jià)。

3.2 樓層層間最大位移與層高之比(位移)的調(diào)整原則

規(guī)范規(guī)定多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層最大的彈性層間位移在計(jì)算時(shí),除以彎曲變形為主的高層建筑外,可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形,應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形。由此可見,對(duì)于一般的高層建筑,重點(diǎn)是樓層間的剪切變形及扭轉(zhuǎn)變形。剪切變形的控制是以豎向構(gòu)件的多少來決定的,但豎向構(gòu)件足夠多(剪重比偏大)而布置不合理,則會(huì)造成扭轉(zhuǎn)變形過大,同樣不能滿足層間位移的要求。因此,對(duì)于高層建筑應(yīng)盡可能使扭轉(zhuǎn)變形最小,而不能僅根據(jù)層間位移不夠不加分析地增加豎向構(gòu)件的剛度。

3.3 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比(周期比)的調(diào)整原則

《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比,小高層建筑不應(yīng)大于0.90。限定周期比是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理,使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)將結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件盡可能沿建筑周邊布置,降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度,這樣既可以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,同時(shí)又能夠較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。

3.4 剪力墻連梁超限的調(diào)整原則

剪力墻連梁的跨高比不宜小于2.5,跨高比小于2.5的連梁很容易出現(xiàn)剪力和彎矩超過規(guī)范限值。

《高規(guī)》規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。即跨高比不小于5的連梁剛度不應(yīng)折減。而跨高比在5～6之間時(shí),若連梁剛度不折減則也容易出現(xiàn)剪力或彎矩超限。本人認(rèn)為該條文在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中若能充分利用,則對(duì)節(jié)省工程造價(jià)也有非常明顯的影響,即將跨高比不大于5的連梁(剛度需折減)和減小剪力墻墻肢長(zhǎng)度使連梁跨高比變?yōu)榇笥?的框架梁(剛度不折減),而后者的鋼筋及混凝土用量均小于前者,這對(duì)于節(jié)省工程投資具有很重要的意義。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體配筋

對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)來說,剪力墻是面廣量大的,因此合理的控制剪力墻配筋對(duì)于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的作用。

剪力墻墻體配筋一般要求水平鋼筋放在外側(cè),豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計(jì)算及規(guī)范建議的最小配筋率即可。但地下部分墻體配筋則通過計(jì)算確定。因?yàn)榈叵虏糠謮w配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制,而由于簡(jiǎn)化計(jì)算經(jīng)常由豎向筋控制,此種情況下為增大計(jì)算墻體有效高度,可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè),豎向鋼筋放在外側(cè)。地下部分墻體鋼筋保護(hù)層按《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.6條規(guī)定:迎水面保護(hù)層應(yīng)大于50 mm,且在保護(hù)層內(nèi)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》層50 mm計(jì)算,筆者認(rèn)為是不妥當(dāng)?shù)?。?dāng)采取了雙向鋼筋網(wǎng)片后,計(jì)算保護(hù)層厚度至少可按30 mm來取值,這對(duì)節(jié)省墻體配筋效果相當(dāng)明顯。

5 結(jié)語

高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),在重視概念設(shè)計(jì)的前提下,認(rèn)真調(diào)整各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),使結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)較優(yōu)的結(jié)果。只有這樣,才能保證結(jié)構(gòu)安全合理又經(jīng)濟(jì),這就要求我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)中要不斷提高設(shè)計(jì)水平及改進(jìn)設(shè)計(jì)理念。

[1] JGJ 3-2002,J 186-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 張建強(qiáng),陳向東.高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].山西建筑,2008,34(11):83-84.