高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計初探

徐勝堅

【摘要】隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平也被隨之不斷提高，同時人們在生活中對于各種物質(zhì)需求日益增高，尤其是對建筑結(jié)構(gòu)，更是提出了新穎的要求。在這種新的住宅結(jié)構(gòu)要求上，不僅是外觀設(shè)計提出了新的要求，而且對于空間結(jié)構(gòu)的美觀性、個性化都提出了發(fā)展新要求。本文就高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了探索，提出了其在設(shè)計工作中需要注意的相關(guān)事項，以供業(yè)內(nèi)同行工作參考。

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

在高層建筑的不斷發(fā)展中，為了滿足人們對所居住房屋的超高要求，我們在保證其建筑物結(jié)構(gòu)安全的重要前提下，還需要在建筑物的設(shè)計層面不斷地思考與追求，借鑒國外更高的建筑設(shè)計理念與技術(shù)，引進(jìn)新高規(guī)和新抗震規(guī)范的材料設(shè)備，緊密結(jié)合我國當(dāng)前的實際情況，不斷提高建筑工程設(shè)計水平，盡可能地發(fā)揮工程效益。

1、剪力墻結(jié)構(gòu)分析

近年來，隨著社會發(fā)展，鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)也受到業(yè)內(nèi)人士是的重視。這種結(jié)構(gòu)由于在施工中布置靈活、施工工藝簡單、整體性效果好、抗荷載能力高以及能有效避免房屋露筋露梁的優(yōu)勢而得到了工程領(lǐng)域工作人員的認(rèn)可，同時也給建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展指明了新的方向。

1.1剪力墻概念

所謂的剪力墻主要指的是建筑結(jié)構(gòu)中能夠承載各種水平荷載的一種建筑結(jié)構(gòu)，這種建筑結(jié)構(gòu)又被人們廣泛的稱之為抗風(fēng)墻、抗震墻。在目前我們生活中所常見的剪力墻結(jié)構(gòu)主要是用于抗風(fēng)、抗震性能的一種墻體結(jié)構(gòu)，這種墻體結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震的時候能夠有效的吸收地震能量，防止墻體結(jié)構(gòu)的剪力破壞。

1.2剪力墻結(jié)構(gòu)的條件

剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計的過程中需要對于地震、風(fēng)力等發(fā)生的等級和發(fā)生率提前進(jìn)行勘察，根據(jù)實際情況來設(shè)計一個科學(xué)、合理的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，使得墻體結(jié)構(gòu)能夠承受一定的荷載和地震，不至于出現(xiàn)地震就造成傾斜和建筑影響。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，當(dāng)墻體結(jié)構(gòu)較少的時候，如果墻體結(jié)構(gòu)承受的第一振型底部地震傾覆力矩較小，結(jié)構(gòu)底部的地震荷載是上部結(jié)構(gòu)的1/3左右，這樣能夠有效地確保工作的合理、健全和完善，從而實現(xiàn)工作體系的綜合、系統(tǒng)要求。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

在目前的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常都需要根據(jù)建筑工程的施工環(huán)境、地質(zhì)情況、自然情況等多個因素進(jìn)行綜合分析和歸納，從而實現(xiàn)設(shè)計工作的合理、科學(xué)、有效進(jìn)行。在目前的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，一般的設(shè)計原則主要有以下幾個方面：

2.1尺寸控制

在目前的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，剪力墻的墻高、寬等尺寸都往往較大，而厚度卻不是很大，幾何特征是以板結(jié)構(gòu)為主，但是在其受力形態(tài)的設(shè)計中卻是趨向于主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。但是其與其他的柱體結(jié)構(gòu)卻存在著一定的差異，這些差異主要表現(xiàn)在肢長、厚度之間的比值，其比值往往都是小于3的時候應(yīng)當(dāng)按照柱體結(jié)構(gòu)的要求來進(jìn)行設(shè)計，而當(dāng)比值在3～5之間的時候，我們可以將墻體結(jié)構(gòu)判定為是異形柱，從而按照異形柱的設(shè)計流程和要求來進(jìn)行受壓構(gòu)件的設(shè)計。

2.2平面構(gòu)件設(shè)計

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，墻體本身就是一個平面構(gòu)件，它承受幾何特征的能力極低，極容易受到外部荷載的影響而出現(xiàn)一定的變化。由于剪力墻結(jié)構(gòu)是一個集水平構(gòu)件荷載和豎向荷載為一體的受力環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計工作中，需要從水平和豎向兩個環(huán)節(jié)入手去歸納和總結(jié)，從而使得整個結(jié)構(gòu)體系都出現(xiàn)一定的變化和工作體系。在這種社會發(fā)展的基礎(chǔ)上，對于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計除了令其能夠滿足基礎(chǔ)水平和荷載作用的同時，還必須要能夠滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)的延性要求，這一要求的存在對于機(jī)構(gòu)設(shè)計的循環(huán)極為關(guān)鍵。

2.3方向設(shè)計原則

我們在設(shè)計墻的時候，計算時要考慮到墻在縱向和橫向延展里的結(jié)構(gòu)下來進(jìn)行分析計算的。我們在針對剪力墻承載能力的計算中，計算帶翼墻的寬度按照門窗與洞口之間的翼緣寬度以及剪力墻之間的距離的最小值來取值，通常都是墻肢總高度的十分之一。

3、剪力墻的特點分類

在我國，剪力墻結(jié)構(gòu)由于其具有抗側(cè)剛度大，側(cè)移小和抗震性好等一系列的特點，目前被廣泛地運(yùn)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，特別是高層建筑。剪力墻的受力、變形特征雖然與框剪結(jié)構(gòu)極其類似，但是它的剛度分配與內(nèi)力分配比框剪結(jié)構(gòu)更為合理。在國內(nèi)現(xiàn)有的剪力墻中，如果從剪力墻是否開洞與其開洞尺寸的大小來進(jìn)行分類，大致可以分為：整體小開口剪力墻、實體墻、壁式框架、雙肢或多肢剪力墻四種類型。其中整體小開口剪力墻的開口面積>15%，但仍然屬于開洞較小的墻；實體墻則是開洞面積<15%，或者完全沒有開洞的墻；壁式框架的開洞尺寸較大，它的連梁線剛度與墻肢線剛度接近；雙肢或多肢剪力墻的開洞尺寸同樣比較大，有的雙肢剪力墻的洞口還可能成列形狀布置。

4、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

4.1剪力墻合理定位

剪力墻最好沿主軸方向或其他方向進(jìn)行雙向布置；對于抗震設(shè)計的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)特別避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。（1）對一般的矩形、L形、T形等平面則沿著兩條軸線的方向進(jìn)行布置。（2）對于部分 j角形平面、Y形平面則可以沿其三個軸線方向布置。（3）對正多邊形，圓形及弧形平面可沿徑向及環(huán)向布置。

總之，剪力墻的平面布置應(yīng)本著盡可能均勻、周邊、對稱的原則，盡量使墻面結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心完全重合，從而減少扭矩。而內(nèi)外剪力墻應(yīng)盡量拉通、對直。剪力墻肢截面宜簡單、規(guī)則。

4.2剪力墻中大墻肢處理

剪力墻在施工的過程中由于結(jié)構(gòu)本身存在著延伸性要求，因此，結(jié)構(gòu)施工與設(shè)計中也需要具備相應(yīng)的延展特性，這對于提高剪力墻結(jié)構(gòu)整體性和工作力度至關(guān)重要。通常情況下，剪力墻在設(shè)計中極容易形成高狀結(jié)構(gòu)的剪力墻，且極容易呈現(xiàn)出彎曲破壞形式和剪力墻結(jié)構(gòu)體系模式，這樣一來，極容易出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象。因此，在設(shè)計工作中，對于墻體長度較長的剪力墻設(shè)計在滿足其承載力要求的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行分層間隔設(shè)計，將其分割成為小而均勻的獨(dú)立墻斷，這對于提高墻體結(jié)構(gòu)的承載力十分有效。除此以外，在墻段長度較小時其受彎產(chǎn)生的裂縫寬度較小，可以充分發(fā)揮墻體配筋的支撐作用。而對于剪力墻結(jié)構(gòu)中，存在較少的長度大于8m 的大墻肢，在理論計算中樓層的剪力大部分由這些大墻肢來承受。在發(fā)生地震特別是超烈度等強(qiáng)烈震動時，最容易受到破壞的便是這些大墻肢。小墻肢因沒有足夠的配筋，使整個墻面結(jié)構(gòu)會受到全面破壞結(jié)構(gòu)。為避免這種不利現(xiàn)象的發(fā)生，對于超過 8m 的墻肢長度，可以采取以下兩種處理方法：①開施工洞：即在施工時墻上留洞，完工時砌填填充墻，把長墻肢分成短墻肢。②開計算洞：是指在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時設(shè)有洞，開始施工時仍為混凝土墻。但通過這樣的計算方式，可以加強(qiáng)其它小墻肢的配筋能力。

結(jié)束語

在現(xiàn)代化社會發(fā)展中，剪力墻的應(yīng)用極為廣泛，特別是在大高層建筑結(jié)構(gòu)中，其身影更是隨處可見，已成為整個建筑領(lǐng)域關(guān)注的重點環(huán)節(jié)。近年來的建筑發(fā)展趨勢下，為了滿足人們對住宅要求的提高，不斷地思考和探索新的建筑結(jié)構(gòu)模式已成為建筑業(yè)賴以生存和發(fā)展的首要內(nèi)容，也是建筑領(lǐng)域未來發(fā)展的主要目標(biāo)。剪力墻作為高層建筑結(jié)構(gòu)中的主要環(huán)節(jié)，做好其合理、科學(xué)布置與設(shè)計極為關(guān)鍵，是最大條件下發(fā)揮材料性能的首要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1] 董燕，胡執(zhí)標(biāo).淺談高層建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計問題[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，（11）.

[2] 王和平.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析探討[J].四川建材，2013，（05）.

[3] 周志敏.有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，（02）.

[4] 李健豪.淺談某高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].建材與裝飾（下旬刊），2012，（11）.