淺談剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國(guó)建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，高層建筑物對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。剪力墻結(jié)構(gòu)作為我國(guó)高層建筑的首選結(jié)構(gòu)形式，越來(lái)越受到人們的重視，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的闡述。

關(guān)鍵詞：剪力墻；特點(diǎn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；用鋼量

1 剪力墻結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

剪力墻是鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中不可缺少的構(gòu)件。剪力墻是截面高度大而厚度相對(duì)很小的片狀構(gòu)件，其承受豎向荷載及水平荷載的能力較強(qiáng)，而且整體性好、側(cè)向剛度大、平面內(nèi)剛度大、水平力作用下側(cè)移小，并且由于沒(méi)有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置。雖然剪力墻的優(yōu)點(diǎn)較多，但同時(shí)也存在剪切變形相對(duì)較大、平面外剛度較弱、不能為房屋提供較大開(kāi)間等缺點(diǎn)。此外，剪力墻開(kāi)洞后的形式變化較多，受力比較復(fù)雜，因而了解剪力墻的特性，發(fā)揮其所長(zhǎng)，克服其所短，是正確設(shè)計(jì)剪力墻的關(guān)鍵。

為了承受各個(gè)方向的水平力，對(duì)于矩形平面，剪力墻在縱橫雙向均應(yīng)設(shè)置；對(duì)于圓形平面，剪力墻應(yīng)沿徑向及環(huán)向設(shè)置；對(duì)于三角形平面，剪力墻宜沿三個(gè)主軸方向設(shè)置。

剪力墻結(jié)構(gòu)剛度很大，但剛度大小問(wèn)題歷來(lái)爭(zhēng)議較多，通過(guò)歷次震害表明，剛度較大的結(jié)構(gòu)一般震害較輕。然而結(jié)構(gòu)剛度不能無(wú)限增大，因?yàn)橐话闱闆r下，建筑物剛度越大，工程造價(jià)越高，這里有個(gè)“度”的問(wèn)題。對(duì)于高層建筑，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，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》（JGJ 3—2010）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)頂部位移滿足要求、構(gòu)件為構(gòu)造配筋的安全假象。所以，只有剪力在合理范圍內(nèi)，計(jì)算并檢查位移、內(nèi)力及配筋情況才有意義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為了合理布置剪力墻，其底部剪力系數(shù)a= 底部剪力/ 結(jié)構(gòu)自重。

在高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要發(fā)揮它具有足夠的抗側(cè)能力等優(yōu)點(diǎn)，又要改進(jìn)其工程費(fèi)用較高的缺點(diǎn)，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)成了必不可少的手段。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了淺析。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

某樓盤為7 棟27 層高層住宅樓，建筑高度為71. 5 m，地下一層為連通地下停車場(chǎng)及設(shè)備用房的人防地下室，主樓地面以上首層為商鋪，層高5. 5m，二層以上為層高3 m 的住宅。

要求控制用鋼量地面以上不大于65 kg/ m2，經(jīng)比較，7 棟高層住宅均采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。地下車度雙車環(huán)道不穿過(guò)主樓底部，地下主樓內(nèi)部開(kāi)間作為設(shè)備用房及停車位，所有剪力墻均直接落地。

1）結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

由于本工程建筑高寬比大于高規(guī)要求的6 度區(qū)A 級(jí)高度剪力墻結(jié)構(gòu)高寬比限值6，表明結(jié)構(gòu)寬度方向剛度較薄弱，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系很有必要。因此剪力墻的布置應(yīng)注意增強(qiáng)結(jié)構(gòu)寬度方向的抗側(cè)剛度，整體計(jì)算應(yīng)注意結(jié)構(gòu)寬度方向的剛度、位移、穩(wěn)定性等指標(biāo)滿足高規(guī)的要求。剪力墻基本按開(kāi)間布置，電梯井中部隔墻采用砌塊填充墻。底部剪力墻厚度300 mm，上部200 mm，建筑高度不大于80 m，抗震等級(jí)為四級(jí)。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

剪力墻的延性設(shè)計(jì)，主要為弱化剪力墻和連梁剛度。對(duì)于存在連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)工程中，所應(yīng)用的大多數(shù)都是采用普通的受彎縱向鋼筋和抗剪箍筋，這樣就導(dǎo)致剪力墻的延性較差；而采用斜向交叉配筋的連梁延性較好，但是因?yàn)槭艿綏l件的限制而應(yīng)用較少?？刂萍袅Φ膲χL(zhǎng)度，把長(zhǎng)墻分割成開(kāi)洞（結(jié)構(gòu)洞或門窗洞）連肢墻，洞頂設(shè)置跨高比大于等于5 的弱連梁，結(jié)構(gòu)洞及窗臺(tái)用砌體砌筑，弱化后的剪力墻及連梁具有較輕的自重、更大的延性和抗震耗能能力，鋼筋用量也較小。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體布局來(lái)看，在水平荷載作用下，剪力墻邊緣構(gòu)件的配筋往往是構(gòu)造配筋。而邊緣構(gòu)件斷面的確定與剪力墻的布置有很大的關(guān)系，因此，本工程首先調(diào)整剪力墻的布置，使之盡可能的合理對(duì)稱，這樣既增加了結(jié)構(gòu)的安全性，又節(jié)省了造價(jià)。

本工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中也對(duì)含鋼量進(jìn)行了控制。為了進(jìn)一步控制用鋼量，采取了梁縱筋及箍筋均采用3 級(jí)鋼、減輕填充墻荷載，并對(duì)建筑中的次要部位（陽(yáng)臺(tái)欄桿和女兒墻等）采用磚砌塊砌筑，減小這些構(gòu)件鋼筋用量等優(yōu)化措施。通過(guò)以上幾點(diǎn)措施，本工程很好地控制了用鋼量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于本工程的適用性而言，建筑功能上以住宅為主，建筑平面較規(guī)則對(duì)稱、地下車庫(kù)的雙車環(huán)道不穿過(guò)高層主樓底部，預(yù)期用鋼量為65 kg/ m2左右的高層住宅樓盤，可參考選擇本實(shí)例的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并應(yīng)對(duì)剪力墻進(jìn)行合理布置及延性設(shè)計(jì)，可明顯減少剪力墻的用鋼量。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能使結(jié)構(gòu)受力均衡，相關(guān)措施應(yīng)用得當(dāng)，結(jié)構(gòu)整體安全可靠度好，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件都能同時(shí)發(fā)揮其最大作用，減少工程用鋼量等，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又合理的目的。

3 結(jié)論

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅是減少含鋼量，在整個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中要注意以下3 點(diǎn)：

a. 在建筑的方案階段結(jié)構(gòu)就應(yīng)該提早介入，這一步驟十分必要。因?yàn)楹芏嘟ㄖO(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的概念很模糊，有時(shí)設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑，結(jié)構(gòu)處理起來(lái)很麻煩，很容易引起工程造價(jià)的偏高；因此結(jié)構(gòu)應(yīng)在早期介入，配合建筑完成相關(guān)設(shè)計(jì)。

b. 設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)有一套嚴(yán)格的管理制度。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須控制好的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)流程做好精細(xì)化設(shè)計(jì)。

c. 如果條件允許，設(shè)計(jì)過(guò)程中適時(shí)、適當(dāng)?shù)囊胪獠抠Y源。聘請(qǐng)專業(yè)化的設(shè)計(jì)顧問(wèn)公司，程進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的管理和結(jié)構(gòu)成本的控制，將會(huì)起到很好的效果。好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能給甲方降低工程成本，更可以給甲方帶來(lái)其他額外的價(jià)值。當(dāng)建筑方案完成后，結(jié)構(gòu)的選型和布置也存在優(yōu)化與否的問(wèn)題，建筑體型都有其最規(guī)則和最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)方案，因此真正的優(yōu)化應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，需要各個(gè)專業(yè)配合，如剪力墻的設(shè)置位置，框架梁柱的結(jié)構(gòu)布置、是否采用輕質(zhì)建筑墻體材料和輕質(zhì)隔斷與水電專業(yè)配合適當(dāng)減小板厚、與建筑專業(yè)配合減小墻、梁、柱截面等；應(yīng)重視非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)建筑欄板、飄窗、女兒墻、構(gòu)造柱、窗臺(tái)、挑檐、結(jié)構(gòu)洞、翻邊、建筑裝飾等細(xì)部的設(shè)計(jì)不必全部采用鋼筋混凝土，可采用砌塊砌筑，利用壓頂梁、拉筋、及構(gòu)造柱與主體結(jié)構(gòu)的拉結(jié)，在保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性、不影響主體結(jié)構(gòu)安全性的前提下，進(jìn)一步減少非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋用量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化的目的是降低整個(gè)工程的造價(jià)，但絕對(duì)不是降低結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，而是保證結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)有的各種規(guī)范及相關(guān)措施的精神前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理。

在工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)體系的剛度大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在很多情況下，并不是鋼筋配的越多越好，對(duì)于這一點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到。合格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)不同項(xiàng)目進(jìn)行合理分析，選擇最優(yōu)模型，這樣才能做到結(jié)構(gòu)安全、技術(shù)合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

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