高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

陸志峰

摘 要：剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑工程常用的一種設(shè)計(jì)方式，面對(duì)日益復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，需要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式做進(jìn)一步的研究，對(duì)存在的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，在滿(mǎn)足工程功能需求的基礎(chǔ)上，提高建筑的抗震性能。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

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

剪力墻結(jié)構(gòu)主要分為連梁與墻肢兩種結(jié)構(gòu)，與其他結(jié)構(gòu)形式相比具有更大的優(yōu)勢(shì)，如剛度大、整體性好、抵抗力強(qiáng)以及側(cè)移水平高等，現(xiàn)在已經(jīng)被更為廣泛的應(yīng)用到高層建筑工程中。隨著建筑工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化與多樣化的實(shí)現(xiàn)，需要在原有基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析

1.水平荷載

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，大部分工程結(jié)構(gòu)的豎向荷載都是固定的，而相對(duì)應(yīng)的說(shuō)水平荷載因?yàn)槭芡饬σ蛩赜绊懕容^大，如風(fēng)荷載以及地震作用等，會(huì)造成結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性區(qū)別發(fā)生著比較大范圍的變化。在對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意這一點(diǎn)，采取有效措施進(jìn)行管理。

2.結(jié)構(gòu)側(cè)移

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)側(cè)移也是需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，尤其是隨著建筑工程樓層的增加，會(huì)使得水平荷載下結(jié)構(gòu)側(cè)移變形隨著樓層高度增加而變大。想要有效控制結(jié)構(gòu)側(cè)移程度，就需要結(jié)合實(shí)際需求，將水平荷載作用力控制在接受范圍內(nèi)。

3.軸向變形

與普通建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載要更大，會(huì)造成柱中軸向變形增大，對(duì)連續(xù)梁彎矩造成影響，同時(shí)也會(huì)在一定程度上影響到預(yù)制構(gòu)件下料長(zhǎng)度[1]。因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分做好軸向變形計(jì)算值，通過(guò)對(duì)下料長(zhǎng)度的適當(dāng)調(diào)整來(lái)提高工程建設(shè)的下料長(zhǎng)度，提高工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確度。

4.結(jié)構(gòu)延性

于高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)柔和性更高，這樣一旦受到地震作用影響，結(jié)構(gòu)就會(huì)更容易的發(fā)生變形，影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。為了提高建筑結(jié)構(gòu)在塑性變形階段的變形能力，需要在設(shè)計(jì)階段采取措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)延性。

二、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算原則

1.結(jié)構(gòu)計(jì)算原則必要性

剪力墻結(jié)構(gòu)同時(shí)承受垂直與水平荷載，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合水平荷載與地震效應(yīng)影響，采取措施將受水平荷載影響產(chǎn)生的側(cè)向變形控制在允許范圍內(nèi)。選擇此種結(jié)構(gòu)方式，因?yàn)椴痪邆淞骸⒅韧饴恫糠?，使得室?nèi)空間更大，內(nèi)部布置效果更佳，但同時(shí)也決定了結(jié)構(gòu)延性比較低。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范來(lái)保證整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，控制結(jié)構(gòu)剛度，并樓層最大層間位移與層高比滿(mǎn)足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，確定樓層最小剪力系數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果更接近規(guī)范值。為提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，就需要做好結(jié)構(gòu)計(jì)算管理工作。

2.計(jì)算原則分析

2.1樓層最小剪力系數(shù)調(diào)整原則

即樓層最小剪力系數(shù)調(diào)整原則，設(shè)計(jì)時(shí)使剪力墻承受第一振型底部地震傾覆力矩可以占到結(jié)構(gòu)宗地不地震傾覆力矩的40%以以下，盡量減少剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)置，最大程度上實(shí)現(xiàn)大開(kāi)間設(shè)計(jì)方式，合理控制結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，樓層最小剪力系數(shù)無(wú)限接近規(guī)范限值[2]。這樣不但可以降低結(jié)構(gòu)自重，而且可以降低地震作用，減少工程造價(jià)。

2.2連梁超限調(diào)整原則

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度應(yīng)控制在8m以?xún)?nèi)，對(duì)于超過(guò)8m的應(yīng)選擇弱連梁結(jié)構(gòu)將其分開(kāi)。另外，對(duì)于跨高大于5m的連梁應(yīng)按照框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。為降低建立設(shè)計(jì)值，可以選擇塑性調(diào)幅的方式，即遵循連梁超限調(diào)整原則，一是在計(jì)算內(nèi)力前折減連梁剛度，二是在計(jì)算內(nèi)力后，將連梁彎矩與剪力組合值與折減系數(shù)相乘。在調(diào)整后應(yīng)保證連梁彎矩、剪力設(shè)計(jì)值高于實(shí)際需求值，并且不能低于設(shè)防烈度低一度的地震組合所得彎矩設(shè)計(jì)值，減少正常使用條件以及地震作用下連梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

2.3最大位移與層高之比調(diào)整原則

按照相關(guān)規(guī)定，在對(duì)地震作用頻繁樓層最大位移進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)以樓間彎曲變形為主，將其計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形中，并且不對(duì)結(jié)構(gòu)整體彎曲變形情況進(jìn)行扣除。因此，在對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形，其中對(duì)于層間位移不夠的情況，不可以在未分析的情況下就增加豎向構(gòu)件的剛度。另外，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于結(jié)構(gòu)某一方向?qū)娱g位移達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)，如果采取增加側(cè)向剛度的處理方式，必須要做好結(jié)構(gòu)剪重比的控制。如果剪重比與規(guī)范相近則可以選擇此種方式處理，如果超過(guò)規(guī)范值則需要控制增加量，或者是適當(dāng)減小對(duì)應(yīng)側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度。

三、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施實(shí)例分析

1.工程概述

以某高層建筑工程為例，工程共有28層，其中地下室2層，主要為設(shè)備用房與車(chē)庫(kù)。首層為架空層，層高為6.5m，2層以上為辦公區(qū)域，層高為3.5m。本工程2層設(shè)置了梁板式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，設(shè)計(jì)使用年限為60年，安全等級(jí)為二級(jí)，并且建筑物抗震類(lèi)別為丙類(lèi)，地震設(shè)防烈度為7級(jí)。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

（1）轉(zhuǎn)換層剛度比

剛度比計(jì)算選擇用剪切剛度參數(shù)計(jì)算，此工程轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比為：X方向r=1.198，Y方向r=1.182，由此可見(jiàn)轉(zhuǎn)換層上下層側(cè)向剛度比較小，轉(zhuǎn)換層上下層層間位移相近，達(dá)到了轉(zhuǎn)換層側(cè)向剛度逐漸改變的目的[3]。

（2）動(dòng)力時(shí)程分析

選擇SATWE程序來(lái)完成對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程分析，其中波形確定為mmw-3，lan3-3，其中l(wèi)an5-3選擇以層間剪力以及層間變形作為主要控制指標(biāo)。將分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，最終確定梁配筋基本一致，設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（1）轉(zhuǎn)換層樓板

框支剪力墻利用轉(zhuǎn)換層樓板作為分界線，結(jié)構(gòu)上下兩部分內(nèi)里分布規(guī)律并不完全相同。其中，對(duì)于上部樓層結(jié)構(gòu)，對(duì)于外荷載產(chǎn)的水平力在分配上，主要是按照各片剪力墻等效剛度比例來(lái)完成。而對(duì)于下部樓層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，受框支柱與落地剪力墻剛度差影響，存在的水平剪力主要集中在落地剪力墻上，最終荷載分配會(huì)在轉(zhuǎn)換層部位發(fā)生突變。另外，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的存在主要完成剪力的分配，并且結(jié)構(gòu)自身還必須要滿(mǎn)足剛度要求，最終工程選擇用C40混凝土轉(zhuǎn)換層樓板，厚度為25mm，配筋率為0.42%。

（2）框支柱

此工程框支柱抗震等級(jí)為以及，軸壓比應(yīng)控制在0.6以下，對(duì)于部分截面尺寸大形成的短柱，更是需要將軸壓比控制在0.5以下。柱截面延性與配箍率有一定關(guān)系，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證配箍率大于框架柱，一般情況下不能小于1.5%。另外，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，因嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范來(lái)進(jìn)行，即剪力墻底部應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)，如底部塑性鉸范圍以及上部一定范圍，通過(guò)增加邊緣構(gòu)件箍筋與墻體縱橫向鋼筋的方式來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗震性能，以免出現(xiàn)脆性剪切破壞問(wèn)題[4]。

（3）短肢剪力墻

通過(guò)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以提高建筑布置的靈活性，并減少建筑結(jié)構(gòu)自重，但是因?yàn)槠渥陨砜拐鹦阅鼙容^低，會(huì)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性造成一定影響，因此在選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況來(lái)確定。

結(jié)束語(yǔ)：

想要提高高層建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，就需要掌握結(jié)構(gòu)受力特征，并嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)原則，從多個(gè)方面進(jìn)行分析，不斷提高設(shè)計(jì)方案的合理性與科學(xué)性，達(dá)到提高建筑工程結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡孔鵬.高層剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻布置和合理數(shù)量的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 陳耀.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析探討[J].福建建材，2011，04：36-37+39.

[3] 曹彬，李銘.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)分析[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，22：65.

[4] 蔣寶鋒.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)分析[J].科技傳播，2014，13：55+57.