高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

陳光華

（貴州深港中天建筑設(shè)計(jì)有限公司 貴州 貴陽 550000）

1 引言

高層建筑之所以常使用剪力墻結(jié)構(gòu)是因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)不僅僅具有綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，還具有投資成本低和堅(jiān)韌度高的特點(diǎn)。和框架結(jié)構(gòu)相比較，剪力墻結(jié)構(gòu)的外觀也更加美觀。伴隨著社會(huì)大眾對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的不斷重視，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑也是越來越普遍，雖然相關(guān)的章程對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)沒有具體的規(guī)定，但是作為工程質(zhì)量的保證，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)是核心所在。

2 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡析

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)工作，這主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)重要性、設(shè)計(jì)前提、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則等方面。以下從幾個(gè)方面出發(fā)，對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析：

2.1 設(shè)計(jì)重要性

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著非常高的重要性。眾所周知，高層建筑是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物，并且本身也是現(xiàn)代化商業(yè)化工業(yè)化和城市化的必然結(jié)果。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步以及城市人口密度的持續(xù)提升，高層建筑正在逐步成為當(dāng)今建筑最為重要的發(fā)展趨勢(shì)，并且也成為了城市現(xiàn)代化的象征。因此，為了能夠有效地滿足高層建筑的抗震性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究就具有重要的理論和實(shí)踐意義。

2.2 設(shè)計(jì)前提

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著必要性的前提。例如，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)一幢高層建筑時(shí)可以將這一建筑看成一根豎直放置于嵌固于地基的開孔帶。其次，由于高層建筑多為巨型空間構(gòu)架，因此建筑的剪力墻不僅僅需要承受所有重力荷載的作用，并且還需要保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，要保證各種建筑內(nèi)部的裝飾、填充墻等不會(huì)在地震等問題中受到損壞，還需要提供建筑內(nèi)部工作、生活的人們有一個(gè)舒適的環(huán)境，因此其設(shè)計(jì)需要將剪力墻變形控制在允許范圍內(nèi)。

2.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自身有著獨(dú)特的特點(diǎn)。眾所周知，剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下往往容易出現(xiàn)彎曲型的側(cè)向變形，其變形特點(diǎn)如下：水平荷載作用下的變形特征和其高寬比之間的關(guān)系為H/bw＞2（高墻），彎曲型變形；1≤H/bw≤2（中高墻），彎曲型變形與剪切型變形；H/bw＜1（矮墻），剪切型變形，其破壞形式如圖1 所示。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)破壞形式示意圖

由于剪力墻結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載和水平荷載都較大，使得高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和側(cè)向剛度。但需要注意的是，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)由于不能夠提供大空間房屋并且結(jié)構(gòu)延性通常來說也較差，因此這在很大程度上限制了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，例如許多高層建筑的內(nèi)部房屋只能以小房間為主。

2.4 設(shè)計(jì)原則

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行樓層最低剪力系數(shù)的計(jì)算，并且在計(jì)算完畢后通過復(fù)核來確保計(jì)算結(jié)果非常接近規(guī)范值。其次，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)控制好結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的自振周期T1之比，并且確保其不會(huì)大于該樓層平均值的1．5 倍。這一情況主要是為了能夠減輕結(jié)構(gòu)自身的重量，并且還能夠在此基礎(chǔ)上有效地減少地震造成的破壞，最終達(dá)到降低高成績建筑整體工程造價(jià)的目的。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1 加強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計(jì)

高層剪力墻結(jié)構(gòu)的均衡設(shè)計(jì)需要工作人員使用合理的對(duì)策，促進(jìn)剪力墻結(jié)構(gòu)的受力平均，這不僅僅可以提高工程的安全性能和結(jié)構(gòu)的合理性，而且還可以節(jié)約高層建筑的造價(jià)成本。剪力墻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)需要工作人員依據(jù)建筑物的平面布局狀況得出剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，在設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)好剪力墻結(jié)構(gòu)方案的同時(shí)還要制定出符合設(shè)計(jì)要求的管理?xiàng)l例，加強(qiáng)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的檢查和監(jiān)督，增強(qiáng)施工人員的安全意識(shí)和管理團(tuán)隊(duì)的科學(xué)管理水平，保證施工人員嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案和施工圖紙進(jìn)行施工，保障施工的質(zhì)量，特別是剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

3.2 高層剪力墻結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

①剪力墻設(shè)置方向上應(yīng)該沿著主軸的方向完成雙向的設(shè)置，這樣能夠保證空間結(jié)構(gòu)的完整性；對(duì)于避震用的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)該盡量防止出現(xiàn)剪力墻的單向布置，而在不同的受力方向上的抗側(cè)剛度的大小上也應(yīng)該盡量相等，這樣能夠使得建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)工作性能的穩(wěn)定性得到相應(yīng)的保證。在保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度以及承載力上的條件之后，可以對(duì)剪力墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量減小其結(jié)構(gòu)的重量，從而增加建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可操作空間。②對(duì)于剪力墻墻肢的截面來說，應(yīng)該盡量保證其簡單和規(guī)則。為了保證剪力墻結(jié)構(gòu)在豎向上的剛度及應(yīng)力的規(guī)則，需要保證剪力墻在門窗等位置上對(duì)齊的進(jìn)行布置，能夠使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡單和安全。對(duì)于墻肢上剛度相差較大的洞口，需要將墻內(nèi)的鋼筋設(shè)置成一定的框架模式來應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)洞或者疊合錯(cuò)洞的情況。對(duì)于出現(xiàn)的較長的剪力墻，為了對(duì)其結(jié)構(gòu)的剛性進(jìn)行保證，防止出現(xiàn)以為脆性出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)的剪切破壞，應(yīng)該在合適的位置開設(shè)洞口，保證分開的墻體的高度在截面長度的兩倍之上，并且需要利用弱連梁進(jìn)行連接。在剪力墻平面外的穩(wěn)定性方面，因?yàn)榧袅υ谄矫鎯?nèi)外上的剛度和承重能力上的不同，應(yīng)該通過設(shè)計(jì)平面外的彎矩來對(duì)剪力墻平面外的穩(wěn)定性進(jìn)行保證。當(dāng)出現(xiàn)剪力墻平面外的樓面與剪力墻墻肢的連接時(shí)，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺?duì)連接部分彎矩對(duì)墻的影響進(jìn)行控制。

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)于墻體配筋在剪力墻結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要選擇優(yōu)質(zhì)的材料，其中鋼筋材料，質(zhì)量驗(yàn)收合格是鋼筋進(jìn)場前的首要工作，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋大多數(shù)需要把垂直鋼筋安置在內(nèi)部，水平鋼筋安置在外部。這是因?yàn)榈氐紫碌膲w配筋相對(duì)于其他部分較多，而且地下水壓和土壓造成的壓力較強(qiáng)，剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋通常符合建議標(biāo)準(zhǔn)和工程測算的最小配筋率即可。依據(jù)實(shí)際現(xiàn)狀制定的剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠較好的減少投資成本。對(duì)剪力墻厚度的選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算要求的前提下也可采用180mm 或160mm 剪力墻。同時(shí)，剪力墻的高度和厚度息息相關(guān)，其參考標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 剪力墻允許高厚比

3.4 剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中明確提出，如果連梁的跨高比大于5的時(shí)候，就需要按照框架梁的要求展開設(shè)計(jì)，這也就是表示，跨高比大于5 的連梁，它的剛度不可以減少，然而當(dāng)連梁的跨高比在5～6 時(shí)，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大，使得建設(shè)工程的成本增加，浪費(fèi)資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可以減少鋼筋與混凝土的使用量，節(jié)約投資成本。

3.5 層間位移比和最大位移的優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)規(guī)定，在核算常遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值造成的樓層最大的彈性層間位移時(shí)，把高層變形建筑物排除以外，大多數(shù)不扣除整個(gè)結(jié)構(gòu)的彎矩變形，同時(shí)算入扭轉(zhuǎn)變形。所以，以高層建筑為例，首要的任務(wù)是制止樓層間和剪切變形。根據(jù)制約的垂直構(gòu)件數(shù)量可以制約剪切變形，一旦單數(shù)構(gòu)件布置不科學(xué)，就會(huì)產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)變形。所以要采取適宜措施減少扭轉(zhuǎn)變形，且不可以隨意增設(shè)構(gòu)件的剛度。

3.6 樓層最小剪力系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在符合短肢剪力墻承擔(dān)的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩低于40%的情況下，需要最大限度降低使用剪力墻，將大空間剪力墻布置方法作為目的，促進(jìn)樓層最低剪力系數(shù)靠近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。此方法的應(yīng)用可以加大剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度和減少自重，將地震作用造成的消極作用降到最小。

4 結(jié)束語

綜上所述，可知高層建筑作為建筑行業(yè)發(fā)展主流，勢(shì)必會(huì)得到更加顯著的發(fā)展，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加適應(yīng)高層建筑需求。剪力墻結(jié)構(gòu)盡管其延性比較差，同時(shí)也不具備一定的抗壓性，但是其成本低，其他性能也比較突出。因?yàn)楦邔咏ㄖ愋鸵约熬唧w要求都不同，因此設(shè)計(jì)人員對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，以免犯經(jīng)驗(yàn)主義錯(cuò)誤，影響高層建筑性能。

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