實例分析高層建筑剪力墻結構設計

王銀軍

摘要：本文首先從提出框架剪力墻結構布置特點出發(fā)，進一步探討了該類型結構計算要點，最后通過結合工程實例，探討該結構類型在工程中的應用，為同行提供參考借鑒。

關鍵詞：實例分析；高層建筑；剪力墻；結構設計

剪力墻結構廣泛應用的原因是在受力方面，剪力墻的剛度大，容易滿足小震作用下結構，尤其是高層結構的位移限值。在地震作用的破壞下，其變形小，破壞程度低，可以設延性抗震墻，特別是大震時通過連梁和墻肢底部的塑性范圍內(nèi)的塑性變形，耗散地震能量。

1 框架剪力墻結構布置

1.1 雙向抗側力體系和剛性連接?？蚣堋袅Y構中，剪力墻是主要的抗側力構件。結構在兩個主軸方向均應市置剪力墻，并應設計為縱、橫雙向剛接框架體系，盡可能使兩個方向抗側力剛度接近，除個別節(jié)點外，不應采用鉸接。如果僅在一個主軸方向布置剪力墻，會造成兩個主軸方向的抗側剛度懸殊，無剪力墻的一個方向剛度不足且?guī)в屑兛蚣艿男再|(zhì)，與有剪力墻的另一方向不協(xié)調(diào)，也容易造成結構整體扭轉。主體結構構件間的連接剛性，目的是為了保證整體結構的幾何不變和剛度的發(fā)揮；同時，較多的贅余約束對始構在大震下的穩(wěn)定性是有利的。

1.2 框架—剪力墻結構是通過剛性樓、屋蓋的連接，將地震作用傳遞到剪力墻，保證結構在地震作用下的整體工作的。因此，剪力墻之間的距離不宜過大，否則，兩墻之間的樓蓋會不能滿足平面內(nèi)剛性的要求，造成處于該區(qū)間的框架不能與鄰近的剪力墻協(xié)同工作而增加負擔。為了保證樓、屋蓋的剛性，剪力墻之間無大洞口的樓屋蓋長寬比不宜超過規(guī)范要求。當兩墻之間的樓蓋開大洞時，該段樓蓋的平面剛度更差，墻的間距應再適當縮小。

1.3 樓板開洞處理。當建筑無可避免地采取樓板開洞時，則應盡可能避免在剪力墻兩側樓板全部開洞或開大洞，對剪力墻結構是如此，對框架—剪力墻結構更是如此。兩側樓板全部開洞的剪力墻，計算中可能認為它已發(fā)揮作用，但由于沒有樓板的協(xié)同工作，水平力并不能有效地傳遞至此片剪力墻土，實際受力完全不是那回事，造成其他墻肢和框架柱實際受力比計算值大。同時應通過正確的計算分析，適當折減其抗側力剛度。

2 結構計算分析要點

框架剪力墻結構的計算應考慮框架與剪力墻兩種不同結構的不同受力特點，按兩者變形協(xié)調(diào)工作特點進行結構分析。即使是很規(guī)則的結構，也不應將結構切榀，簡單地按二維平面結構（平面框架和壁式框架）進行計算。不應將樓層剪力按某種比例在框架與剪力墻之間分配。框架剪力墻結構是復雜的三維空間受力體系，計算分析時應根據(jù)結構實際情況，選取較能反映結構中各構件的實際受力狀況的力學模型。對于平面和立面布置簡單規(guī)則的框架—剪力墻結構，宜采用空間分析模型，可采用平面框架空間協(xié)同模型，對布置復雜的框架—剪力墻結構，應采用空間分析模型。另外，對于框架—剪力墻結構由于填充墻數(shù)量較框架結構少，而比剪力墻結構多，因此其周期折減系數(shù)應選取介于兩者之間。結合工程實踐經(jīng)驗，對于一般情況下當填充墻較多時，周期折減系數(shù)可取0.7-0.8，填充墻較少時，周期折減系數(shù)可取0.8-0.9。

需要注意的是，隨著建筑形式的多樣化，框架校的數(shù)量沿豎向有時會有較大的變化，考慮到若某樓層段突然減少了較多框架柱，按結構基底總剪力Vo來調(diào)范柱剪力時，將使這些樓層的單根柱承擔的剪力過大，這顯然是不合理的，故《高規(guī)》規(guī)定允許分段進行調(diào)整，即當某樓層段柱根數(shù)減少時，則以該段為調(diào)整單元，取該段最底一層的地震剪力為其該段的底部總剪力；該段內(nèi)各層框架承擔的地震總剪力中的最大值為該段的Vfmax。在單片剪力墻的邊框桿，墻平面內(nèi)是墻體的組成部分，不再按框架柱考慮；墻的平面外邊框柱屬于框架框，支承框架梁并共同組成抗側力結構。邊框柱在墻平面內(nèi)按墻計算確定縱向鋼筋，平面外按框架柱計算確定縱向鋼筋，并滿足構造所需最小配筋率。特一、一、二級抗震等級的剪力墻，在底部加強部位的邊框柱，尚應滿足約束邊緣構件的箍筋和縱向鋼筋構造要求。

3 工程實例

某辦公樓大廈地下3層（地下一層局部沒有夾層）、地上由東、西兩位高層建筑組成，東樓平面呈扇貝形，共18層，檐口高度74.0m；西樓平面呈矩形，共22層，搪口高度90.0m?？偨ㄖ娣e約120000m2。主體結構平面柱網(wǎng)主要為9m×9m、9m×8m兩種。

本工程主體采用框架—剪力墻結構?？拐鹪O防烈度為8度，抗震設防類別為丙類，場地土為中硬場地土，場地類別為II類，建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，地下室防水等級為二級。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》，剪力墻抗震等級為一級，框架抗震等級為一級。為有效地滿足業(yè)主對建筑物室內(nèi)凈高保證2.8m的要求，綜合比較后采用寬扁梁樓蓋方案。本工程建筑布置給結構設計造成相當難度，因此結構整體計算在結構設計工作中顯得更為重要。通過計算分析對結構布置進行了反復調(diào)整，選用了經(jīng)濟的構件截面尺寸。結構整體計算達到了以下三個目的：（1）根據(jù)建筑物的自振周期、位移及地震效應判斷結構方案的合理性；（2）得出各構件的內(nèi)力以及配筋，以判斷構件截面的合理性；（3）根據(jù)結構內(nèi)力分析判定結構受力的德弱部位，并在設計中采取加強措施。

東、西樓由于建筑物使用功能的需要，其剪力墻核心筒設置偏置一側，并且在其他部位不允許設置剪力墻，造成剪力堵布置過于集中，建筑物的質(zhì)心與剛心偏移較大，給結構設計、計算帶來很大困難。經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，在不影響使用功能的前提下，增加了剪力墻的數(shù)量（如將西樓靠走道一例的管道井外墻均調(diào)整為剪力墻，將東樓南北兩端樓梯間四軸剪力堵延伸至軸線），同時調(diào)整了部分剪力墻的厚度（如將西樓南側樓梯間外墻由400mm厚調(diào)整至600mm厚），通過結構布置改善主體結構的受力狀態(tài)，提高結構的抗震性能及抗側移剛度。

本工程結構整體計算采用中國建筑科學研究院編制的多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件SATWE，計算時考慮扭轉藕聯(lián)的影響?？紤]模擬施工分層加載，振型數(shù)取18個，采用側剛分析方法。計算結果表明，本結構整體剛度在X方向較好，Y方向稍差。兩幢樓剪力墻在X方向承擔了總傾覆力矩的80%以上，Y方向承擔了60%以上；西樓在地震作用下Y方向頂點位移絕對值偏大，最大層間位移接近規(guī)范限位。計算結果還表明，東樓第5、7、9振型，西樓第7、9振型以扭轉為主，說明雖然對剪力墻布置、數(shù)量、厚度進行了調(diào)整，但扭轉效應仍不可避免，還應在設計中予以解決?？傮w來說各項結果均在正常范圍以內(nèi)，滿足規(guī)范要求，并符合以下規(guī)律：（1）柱、剪力墻的軸力設計值均為壓力；（2）柱、剪力墻基本為構造配筋；（3）梁基本無超筋，剪力墻、連梁均滿足截面抗剪扭的要求。

4 結束語

框架剪力墻結構是在框架結構中設置一定數(shù)量的剪力墻而形成的雙重結構體系，其在工程中的應用較為廣泛，本文通過結合實踐以及規(guī)范要求，總結出高層框架剪力墻結構設計結構布置，同時結合工程實例進一步探討框架剪力墻結構的應用，為同行提供參考借鑒。

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