談高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

周時(shí)信

摘 要：介紹了剪力墻結(jié)構(gòu)的概念，并以某高層建筑為例，探析了高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；結(jié)構(gòu)方案；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU973.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.148

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的建筑行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展。但是，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)高層建筑的發(fā)展速度也越來越快。高層建筑通常采用剪力墻結(jié)構(gòu)，那么如何才能保證高層剪力墻結(jié)構(gòu)在安全的前提下，不斷實(shí)現(xiàn)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提高其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)和建筑行業(yè)的熱點(diǎn)話題。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)的概念及結(jié)構(gòu)能效

剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑的主要承載部分，并且還是承擔(dān)地震、風(fēng)等傳遞水平載荷導(dǎo)致的軸力、剪力以及彎矩等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，同時(shí)也是建筑的分隔墻和圍護(hù)墻，所以在布置剪力墻的過程中，應(yīng)該滿足建筑物的結(jié)構(gòu)布局和平面布局，剪力墻結(jié)構(gòu)的開間相對(duì)較小，高層建筑的樓層蓋板通常選用現(xiàn)澆的混凝土結(jié)構(gòu)平板，這樣，其空間結(jié)構(gòu)的利用率更高，能夠有效節(jié)約建筑的層高。剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性和空間作用都非常好，并且具有很強(qiáng)的承載性能和抗側(cè)力性能，因此，許多高層建筑都采用剪力墻結(jié)構(gòu)。但是，剪力墻結(jié)構(gòu)也具有許多缺點(diǎn)，例如建筑物的布置方案相對(duì)固定、不靈活，空間間距有很大的限制，不適合空間較大的建筑，而適用于高層的小空間建筑以及住宅等。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本文以某高層建筑為例，該高層建筑總共16層，還有2層地下室，總建筑面積為1.075×105 m2，地下室主要用于物業(yè)辦公以及車庫(kù)，地上首層為商業(yè)層，層高為3.5 m，其余為住宅，層高均為2.85 m，該高層建筑的建筑類別為丙類。該高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)表現(xiàn)為：地下層以及1層的剪力墻厚度為250 mm，2層以及2層以上的外墻為200 mm，內(nèi)墻為180 mm。原設(shè)計(jì)方案中，其剪力墻結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角為1/2 376，Y方向的最大位移角為1/1 623.通過對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，剪力墻結(jié)構(gòu)在X方向的最大層間位移角降低至1/1 901，Y方向的最大位移角降低至1/1 417，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，不但提高了高層剪力墻結(jié)構(gòu)以及整體建筑的穩(wěn)定性，還節(jié)約了大量的梁、板、墻等的鋼筋以及混凝土的用量，顯著地降低了建筑成本，具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。

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

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

高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案多種多樣，在選擇高層剪力墻結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)該選擇正確的建筑結(jié)構(gòu)體系以及構(gòu)件需要的材料。層數(shù)低于20層時(shí)，通常采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的水平地震剪力、周期和位移等都能夠被控制在合理的范圍內(nèi)，并采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，合理地將鋼筋混凝土墻置換成砌體或者磚墻，這樣不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度，減輕結(jié)構(gòu)的自重，還能夠有效降低工程成本。對(duì)于層數(shù)超過20層的建筑，如果采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)較軟，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移以及層間位移就不能夠滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，并且剪力系數(shù)較低，影響建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，因此，采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)方案，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算值偏大時(shí)，可以在較大的墻肢上增設(shè)結(jié)構(gòu)洞，并將窗臺(tái)改設(shè)為磚或者砌體等進(jìn)行微調(diào)，這樣能夠增加結(jié)構(gòu)的延性，提高剪力墻結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

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

剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該選擇質(zhì)量好的鋼筋，并且鋼筋材料在進(jìn)場(chǎng)之前，應(yīng)該檢查其是否具備生產(chǎn)許可證、合格證以及其他相關(guān)的證明資料。只有檢查合格之后才允許材料進(jìn)場(chǎng)，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋通常要求將豎向鋼筋放置在內(nèi)側(cè)，水平鋼筋設(shè)置在外側(cè)。由于地下部分墻體配筋相對(duì)較多，并且土壓力和水壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力相對(duì)較大，可以將地下建立墻結(jié)構(gòu)墻體的豎向鋼筋設(shè)置在外側(cè)，將水平鋼筋設(shè)置在外側(cè)，配筋滿足規(guī)范建議以及相應(yīng)工程計(jì)算的最小配筋率即可。這種根據(jù)高層建筑實(shí)際狀況的剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠顯著地降低墻體配筋用量，降低工程成本。

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

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定，跨高比超過5的連梁應(yīng)該根據(jù)框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是說跨高比超過5的連梁，其剛度不能折減，但跨高比在5～6之間的連梁，如果剛度不折減，就很容易出現(xiàn)剪力超限的問題，并且還會(huì)造成工程成本的浪費(fèi)。使連梁跨高比變成超過6的框架梁，能夠顯著降低混凝土以及鋼筋的用量，降低工程成本。

2.4 層間層高比和最大位移的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)的規(guī)定，在計(jì)算多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層最大的彈性層間位移時(shí)，除了以彎曲變形為主的高層建筑之外，通常不扣除結(jié)構(gòu)整體彎矩變形，并計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形。因此，對(duì)于高層建筑來說，重點(diǎn)應(yīng)該控制樓層間的扭轉(zhuǎn)變形和剪切變形。通過控制豎向構(gòu)件的數(shù)量能夠控制剪切變形，單數(shù)豎向構(gòu)件如果布置得不合理，同樣會(huì)造成較大的扭轉(zhuǎn)變形，因此，在高層建筑中，應(yīng)該盡可能地降低扭轉(zhuǎn)變形，不能不經(jīng)過分析就隨意增加豎向構(gòu)件的剛度。

2.5 樓層最小剪力系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滿足短肢建立墻承受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小于40%的條件下，應(yīng)該盡量減少剪力墻，以大開間剪力墻布置方案為目標(biāo)，使樓層最小剪力系數(shù)接近于規(guī)范限制。這樣不僅能夠增大剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，還能夠有效降低結(jié)構(gòu)的自重，降低地震作用對(duì)建筑的影響和工程成本。

3 結(jié)束語

總之，當(dāng)高層剪力墻的設(shè)計(jì)存在缺陷時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重影響到剪力墻結(jié)構(gòu)和整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性，因此，高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。通過分析高層建筑的實(shí)際狀況，并根據(jù)相關(guān)的規(guī)定對(duì)高層剪力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能夠顯著地提高高層剪力墻結(jié)構(gòu)和整個(gè)建筑的穩(wěn)定性，還能夠顯著地降低工程成本，對(duì)促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展具有非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕