對(duì)高層建筑剪力墻設(shè)計(jì)的理性探索

王劍宇

摘要：高層建筑是我國(guó)城市化和現(xiàn)代化發(fā)展的產(chǎn)物，其功能和類型都較為復(fù)雜，加上巨大的投資和復(fù)雜的建設(shè)過(guò)程，必須注重對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。所采用的剪力墻結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)在于對(duì)其抗震性能的設(shè)計(jì)上，只有結(jié)合建筑功能與地理環(huán)境，不斷改進(jìn)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)形式，才能做到結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)兩方面的合理。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；抗震設(shè)計(jì)

1框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)

框架是由梁柱線性桿件組成的，框架的受力特點(diǎn)類似豎向懸臂剪切梁，其變形曲線為剪切形，在純框架的結(jié)構(gòu)中，所有框架的變形曲線都是類似的，所以，水平力按各框架的抗推剛度 D比例分配，剪力墻是豎向懸臂彎曲結(jié)構(gòu)，其變形曲線為彎曲形，在平面內(nèi)有很大的抗彎曲剛度，在一般剪力墻結(jié)構(gòu)中，所有抗側(cè)力構(gòu)件剪力墻的側(cè)移曲線都是類似的，水平力在各片剪力墻之間按其等效剛度EI比例分配。在同一結(jié)構(gòu)單元中，二者是通過(guò)水平面內(nèi)剛度無(wú)限大的樓板連接在一起的，以至于它們不能單獨(dú)按各自的彎曲變形或剪切變形而自由變形，它們?cè)谕粯菍拥奈灰票仨毾嗟?，在不考慮扭轉(zhuǎn)的情況下，由于框架與剪力墻共同工作，彼此相互作用。

2剪力墻抗震設(shè)計(jì)的重要意義

2.1設(shè)計(jì)中采用機(jī)構(gòu)控制達(dá)成總體屈服效果。在框剪結(jié)構(gòu)中的特定位置，設(shè)置一定數(shù)量的“塑性鉸”，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑性鉸發(fā)生位置、次序、形變程度的控制，使結(jié)構(gòu)在地震時(shí)形成較好的耗能機(jī)構(gòu)。在水平向力的作用中，水平的構(gòu)件首先屈服，然后才是豎向構(gòu)件。

2.2平衡結(jié)構(gòu)剛度和承載能力。在框架 -剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻的數(shù)量增多，體積增大，剛度也會(huì)隨之增加。但是，這就會(huì)使結(jié)構(gòu)的自振周期變小，總體水平地震作用加大；反之，結(jié)構(gòu)的剛度就會(huì)減小，地震力作用也就變小。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑的基本情況來(lái)綜合考量，將建筑的設(shè)防烈度、高度、裝修等級(jí)等內(nèi)容考量在內(nèi)，以確定結(jié)構(gòu)允許的位移的最大限值，從而確定剪力墻的數(shù)量和體積，保證經(jīng)濟(jì)和安全并重。

2.3剛度與延性的和諧統(tǒng)一?？蚣芘c剪力墻結(jié)構(gòu)在剛度和彈性限值、延性系數(shù)等方面都存在著一定的差異，這就給框剪結(jié)構(gòu)抗震性能的提升制造了難題。理論上，框剪結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)各個(gè)構(gòu)件不能協(xié)調(diào)性發(fā)揮作用，而出現(xiàn)先后破壞、各個(gè)擊破的情況，這就大大降低了結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件的有效性和抗震的可靠程度。所以，在設(shè)計(jì)中應(yīng)將各個(gè)構(gòu)件協(xié)調(diào)起來(lái)，使剛度與延性和諧統(tǒng)一，以此保證建筑的抗震需求。

3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置

剪力墻的布置一般原則是均勻、分散、對(duì)稱、周邊及均勻，分散原則是要求剪力墻片數(shù)不要太少，而且每片剪力墻剛度不要太大，連續(xù)尺寸不要太長(zhǎng)，使抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量多一些，分散一些，每片剪力墻的彎曲剛度適中，在使用中不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別墻的局部破壞而影響整體的抗側(cè)力性能，也不會(huì)使個(gè)別墻的受力太集中，負(fù)擔(dān)過(guò)重而引起過(guò)早的破壞，剛度過(guò)大的墻承擔(dān)的內(nèi)力也大，相應(yīng)的基礎(chǔ)處理難度增加，同時(shí)也考慮到剪力墻相距太遠(yuǎn)，樓面剛度要求大，很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉(zhuǎn)能力，便于保證剛度中心與平面中心相吻合。

剪力墻布置在周邊對(duì)稱位置，增加抵抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，在不增加剪力墻面積的情況下，提高抗扭轉(zhuǎn)能力，剪力墻布置的位置應(yīng)設(shè)在平面形狀變化處，即：角隅、端角、凹角，這些部位往往是應(yīng)力集中處，設(shè)置剪力墻給予加強(qiáng)是很有必要的；高層建筑的樓梯間、電梯間、管道井處等的樓面開(kāi)洞嚴(yán)重地削弱樓板剛度，對(duì)保證框架與剪力墻協(xié)同工作極為不利。

因此，在工程設(shè)計(jì)中用剪力墻來(lái)加強(qiáng)這些薄弱端部，如樓梯間、電梯井道處、豎向管道井設(shè)計(jì)加強(qiáng)的鋼筋混凝土墻是十分有效的，剪力墻的間距：現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋 L/B=2～ 4 為宜；裝配整體式鋼筋混凝土樓蓋 L/B=1～ 2.5 為宜，原則是建筑物愈高、抗震中應(yīng)用最廣的是空間桿-薄壁桿系矩陣位移法。這是目前工程上采用最多的計(jì)算模型。

4剪力墻結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化原則

在高層建筑中，既要考慮到建筑的質(zhì)量安全，又要考慮到經(jīng)濟(jì)成本。一般而言，建筑結(jié)構(gòu)的剛度越大，抗震性能就越高，而建筑所需成本也就越大。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，要從定量與定型兩個(gè)方面出發(fā)，分析研究質(zhì)量安全與成本投入?；诖嗽瓌t，剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)方面可以作如下的優(yōu)化：一是盡量避免“一字型”的剪力墻結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)層間位移范圍控制合理；二是整體上滿足合理的結(jié)構(gòu)要求，并基于此考慮經(jīng)濟(jì)性成本，做到兩者的合理兼顧；三是在對(duì)剪力墻整體結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)上，對(duì)于出現(xiàn)的不合理狀況，通過(guò)改變剪力墻的數(shù)量和布置情況來(lái)使樓層剛度和結(jié)構(gòu)更加合理。

4.1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化

⑴剪力墻的空間結(jié)構(gòu)體系主要是以主軸為中心，向橫豎兩個(gè)方向布置。正是這個(gè)結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，在抗震設(shè)計(jì)中，要避免剪力墻結(jié)構(gòu)的單向布置，這與前面所講的優(yōu)化原則第一點(diǎn)相同，盡量不用“一字型”剪力墻。這樣一來(lái)，剪力墻可以增強(qiáng)兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度，使兩各方向的力處于平衡狀態(tài)。

⑵盡量合理的減小剪力墻厚度

我國(guó)對(duì)剪力墻厚度具有明確的規(guī)定，對(duì)于一、二級(jí)抗震級(jí)，剪力墻底部墻厚要大于20公分，其它部位不低于16公分。但是，剪力墻的厚度并不是越厚越好，其設(shè)計(jì)要滿足最大層間位移的指標(biāo)，并能滿足墻肢的穩(wěn)定驗(yàn)算，通過(guò)分析合理設(shè)計(jì)剪力墻的厚度。較厚的剪力墻雖然具有較高的抗側(cè)剛力和抗震能力，但因?yàn)橛绊懠袅拐鹦Ч囊蛩貜?fù)雜多樣，抗側(cè)拉力并不與整體結(jié)構(gòu)的抗震能力成正比，這還要考慮抗震等級(jí)的軸壓比的影響。因此，在設(shè)計(jì)剪力墻抗震時(shí)要經(jīng)過(guò)分析，合理減少墻厚，保證結(jié)構(gòu)之間的位移控制在允許范圍內(nèi)。

4.2剪力墻連梁的抗震設(shè)計(jì)

剪力墻的連梁對(duì)調(diào)節(jié)和保證連肢體墻剛度的作用，其目的是為了避免主梁與樓板大面積的塌陷而造成變形帶來(lái)的影響。對(duì)連梁的抗震設(shè)計(jì)要對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)，提高連梁和腰筋的配筋率。對(duì)于不同厚度的剪力墻，連梁的跨高也有所不同。當(dāng)抗震等級(jí)為一、二級(jí)的剪力墻且厚度在20過(guò)分之內(nèi)時(shí)，如果連梁的跨高度在2以內(nèi)，則鋼筋的構(gòu)造宜采用斜向交叉法。因?yàn)檫B梁在受到一定承載力之后會(huì)出現(xiàn)變形，其變形的情況與跨高密切相關(guān)?？绺咴酱?，連梁變形的比例越高，采用斜向交叉使連梁的彎曲比例增大，從而提高連梁的變形能力?？傊?，連梁是高層建筑抗震設(shè)防的第一道防線，其設(shè)計(jì)要重點(diǎn)考慮它的變形能力及架構(gòu)形式。

4.3改善框架的抗震能力

（1）對(duì)框架結(jié)構(gòu)的角柱進(jìn)行強(qiáng)化。角柱是連接橫縱框架的關(guān)鍵，要增加框架結(jié)構(gòu)的整體性，就需要增強(qiáng)角柱的抗剪能力。

（2）在外圍框架的平面內(nèi)設(shè)計(jì)一定數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻墻板，這樣可以有效地克服框架的剪力滯后的情況，提高框架結(jié)構(gòu)的整體性和抵抗推力的剛度，減少整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向移動(dòng)，特別是層間的位移，其形式為 K或者 X型。但是，應(yīng)注意這樣的結(jié)果是延性較差，如果在墻板上適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)十字開(kāi)口，人為地使之出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱部位，形成延性的耗能墻板，則更加有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊國(guó)建. 淺談高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 價(jià)值工程，2011，（20）

[2]陳天華. 高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析[J]. 中國(guó)科技信息，2011，（16）