剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究

(陜西省寶雞市建筑設(shè)計院，陜西寶雞 721000)

0 引言

隨著社會大眾越來越高的建筑要求，在應用高層建筑當中，剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)占據(jù)了相當重要的地位。想要高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有較大的經(jīng)濟性，就需要從含鋼量入手，對剪力墻結(jié)構(gòu)進行控制。所以，在對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，要從實際出發(fā)，根據(jù)設(shè)計要求詳細的進行結(jié)構(gòu)的分析，從而確保在何種情況下，能夠控制好最經(jīng)濟的含鋼量，也能滿足結(jié)構(gòu)的安全要求。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)體系特點

剪力墻是鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中非常重要的組成部分，剪力墻是屬于截面厚度小高度大而且比較小的片狀構(gòu)件，具有一定的優(yōu)勢，如:平面內(nèi)剛度較大，具有一定的承載力。但是同時也具有一定的不利性能:如平面外比較薄弱、剪切變形會比較大。另外，在開洞之后，剪力墻變化形式比較多樣化，特別是受力方面比較復雜。因此，剪力墻的設(shè)計我們要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，盡量避免其不利之處。剪力墻在承受豎向荷載以及水平荷載的能力比較具有優(yōu)勢。因為剪力墻的整體性布局較好，在偏向剛度方面比較大，水平力作用下較小，而且在沒有橫梁、圓柱外露等情況下，這方面給予了廣大住戶更多自由布置的空間，同時也存在一些不利之處，如:不能提供面積特別大的房間。矩形平面剪力墻在縱橫兩個方向進行布置的主要作用是適應來自不同方向的水平力;而基于圓形平面來講，剪力墻設(shè)計的過程中應該保持環(huán)向設(shè)置;而沿三個主軸方向?qū)袅M行設(shè)計主要是針對三角形平面。

剪力墻的優(yōu)點主要在于整體性強、用鋼量較小而且剛度大等，所以在高層建筑施工中得到了廣泛的運用。特別是像旅館這一類房間多的建筑結(jié)構(gòu)當中，墻體所采用的一般都為剪力墻結(jié)構(gòu)，這樣可以讓承重墻與分隔墻連為一體，從而使得其經(jīng)濟適用。另外，使用剪力墻結(jié)構(gòu)，不會有露柱與露梁的現(xiàn)象出現(xiàn)，保持了外形的美觀性，也拓寬了室內(nèi)空間。雖然從上面幾點看來，剪力墻具備較多的優(yōu)點，但是從其他方面來考慮，也存在較多的問題:由于高層建筑的剪力墻的本身具有較大的抗側(cè)剛度，也就使得發(fā)生地震的時候，剪力墻會出現(xiàn)較大的反應，所以在剪力墻的上部結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)當中的投入資金都會相應的增加;其二，墻體的澆筑主要是混凝土，使得其具有較大的重量，不僅會浪費材料，地震反應也較大;其三，在剪力墻的結(jié)構(gòu)當中，各個墻肢不具備較大的軸壓，就使得各個墻肢雖然具有一定的承載能力，但是不能夠正常的發(fā)揮出應有的性能。因此，在設(shè)計當中對于高層建筑的剪力墻，如果將缺點規(guī)避，發(fā)揮出剪力墻的優(yōu)點，最終達到降低工程施工造價，提高施工質(zhì)量，就成為設(shè)計者應當首先考慮的問題。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)方案的選擇

只有當剪力墻結(jié)構(gòu)施工的安全得到了保障之后，才能夠在諸多的方案當中進行對比選擇，并且還應考慮工程造價能夠在最低限度的情況下，選取適合此高層建筑的結(jié)構(gòu)形式。

針對層數(shù)較少的高層建筑，如:層數(shù)在18層以下的高層住宅推薦采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，因為在針對每一個墻肢進行實際壓軸的計算時所取得的值會出現(xiàn)偏小的情況，而且墻體一般都是構(gòu)造配筋，必然會使墻體的承載力不能充分的發(fā)揮出來。推薦采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，能有效將這些問題進行根本的解決。在7度區(qū)，層數(shù)在18層以下的住宅建筑使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，能有效地將水平地震剪力、結(jié)構(gòu)頂點位移、周期控制在合理的范圍之中。

如果高層建筑物的層數(shù)大于18，最好還是選取普通剪力墻結(jié)構(gòu)。如果將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)運用到層數(shù)過大的建筑結(jié)構(gòu)當中，會導致其剛度不達標，從而導致結(jié)構(gòu)的安全性能也受到其影響。

3 在剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計當中的有效措施

3．1 需要對于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為的注重

從對高層建筑的要求來看，現(xiàn)代居民希望建筑物所擁有的功能多種多樣，考慮到現(xiàn)在大樓具有較強的綜合性能，尤其是在使用方面，上部與下部的機構(gòu)不同。因此，在選擇高層建筑物自身結(jié)構(gòu)布置的時候，就需要考慮相應的變化，在設(shè)計布置當中，就需要將轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)置好。我們需要重視剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是考慮到在高位轉(zhuǎn)換的底部大空間當中，其結(jié)構(gòu)相對復雜。因為在進行高位轉(zhuǎn)換的時候，剛度和質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)換層升高，有效的將其本身與上下的剛度調(diào)整到接近的地步是非常必要的，而對于轉(zhuǎn)換層自身而言，其質(zhì)量與剛度都不適宜較大，在最終時，是否能夠確保轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角基本達到均勻的情況，就需要在水平作用力的作用之下，進行空間精確分析，檢查其均勻情況。在采用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式的時候，在選擇上，偏向于重量與剛度皆偏小的材料，在實際計算時，對于參與到了組合的振型數(shù)需要多多的進行選擇。通過計算，我們能夠計算出在結(jié)構(gòu)當中，哪一部分才是最薄弱的，然后再通過內(nèi)力分配特點的具體研究，改善薄弱部位性能的設(shè)計性能，對于構(gòu)件的配筋作出相應的調(diào)整，從而實現(xiàn)改善薄弱部位性能的目的。

3．2 連梁設(shè)計的優(yōu)化

在設(shè)計連梁的抗震與非抗震的時候，在高跨比的分類之上，主要分為小于2．5和大于2．5兩種，并且對于截面配筋以及受剪承載力兩個方面都有了相應的規(guī)范。而可以使用以下的兩種方式針對塑性調(diào)幅:1)在進行內(nèi)力計算之前，就需要拆減連梁的剛度;2)在進行內(nèi)力計算之后，連梁的剪力與彎矩的組合值還需要乘上一個拆減系數(shù)。但是，我們應當明確的是，無論是選取了哪一種，都需要確定在實際使用階段當中的剪力與彎矩的設(shè)計值，都要小于調(diào)整后的值。此外，在彎矩設(shè)計時，也必須大于設(shè)防烈度低1度的地震組合所得。從而對于正常使用情況之下，亦或是在小型的地震發(fā)生之后，對于裂縫進行有效防止，最終達到確保高層建筑物安全性能。

3．3 轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1)在轉(zhuǎn)換層的上下剛度的傳遞中，剪力墻布置存在的影響。如果能夠準確的傳遞上下兩種不同結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)力，首先需要考慮到剛度突變，而對于轉(zhuǎn)換層上下的結(jié)構(gòu)可以通過兩種方式將剛度突變的問題加以解決:a．將上部的剛度減少，也就是在上部當中，能不設(shè)置剪力墻就盡量的避免設(shè)置，當滿足了軸壓比的時候，確保墻肢盡可能的短;b．將下部的剛度進一步的加大，在建筑滿足了功能之后，再恰當?shù)牟贾迷O(shè)置出若干的落地剪力墻在大空間層之內(nèi)，此外需要避免集中，將剪力墻均勻的分布于其中。

2)需要合理的選擇轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)剛度。如果剪力墻轉(zhuǎn)換層剛度過大，不但會增大地震的噪聲以及豎向剛度的提高，更會增加材料的使用量，從經(jīng)濟的角度考慮是不合理的。如果剪力墻轉(zhuǎn)換層剛度過小，就可能出現(xiàn)沉降差。進而使得明顯的次應力在上部結(jié)構(gòu)與水平結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)(其水平結(jié)構(gòu)是與上部結(jié)構(gòu)相連接的)，從而增加了配筋量。而表現(xiàn)最為突出的就是在正交主次轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)中對于次梁的轉(zhuǎn)換。

［1］朱炳寅．建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［2］GB 50011-2009，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．

［3］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．