基于剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

田　正

中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司

基于剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

田正

中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司

土地作為不可再生資源可開發(fā)建設(shè)用地逐年減少，建筑建設(shè)開發(fā)規(guī)模不斷的擴(kuò)大，高聳挺拔的高層建筑也鱗次櫛比的出現(xiàn)在城市中。剪力墻由于結(jié)構(gòu)剛度大、整體性好、含鋼量少等特點(diǎn)，在廣泛應(yīng)用于高層建筑當(dāng)中。

高層建筑；結(jié)構(gòu)布置；剪力墻；配筋計(jì)算

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻體代替框架結(jié)構(gòu)中柱子承擔(dān)由各類荷載引起的內(nèi)力的結(jié)構(gòu)形式，墻體既能形成抵抗水平作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)建，又能起到對(duì)空間分割作用，相對(duì)框架柱他們很薄，與劃分空間的分隔墻同厚，墻體水平方向抗側(cè)移能力強(qiáng)，所以這種結(jié)構(gòu)形式在高層建筑內(nèi)被大量應(yīng)用。建筑物的荷載通過水平構(gòu)件將水平剪力傳遞在結(jié)構(gòu)墻上，這也是剪力墻名稱由來。在剪力墻設(shè)計(jì)中不但要求充分考慮建筑結(jié)構(gòu)安全性，還需要對(duì)其施工成本進(jìn)行控制。筆者根據(jù)幾年設(shè)計(jì)工程的積累，總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)，在此進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。

1　剪力墻體系特點(diǎn)

剪力墻合理設(shè)置間隔是3-5m。相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，剪力墻體系跨度較小，建筑空間靈活性受到局限，無法適應(yīng)大空間功能要求，更多的適用于酒店、公寓、住宅等建筑。該體系水平構(gòu)件只有樓板，不需要框架梁，所以能比較好的節(jié)約層高。但抗側(cè)性、整體性和抗震性能良好的特點(diǎn)，讓剪力墻體系越來越多的用于高層建筑物營(yíng)造。剪力墻體系，是一種剛性結(jié)構(gòu)形式，本身具有較強(qiáng)抗剪能力，對(duì)抵抗水平側(cè)力有良好的性能。剪力墻結(jié)構(gòu)體系在水平力作用下會(huì)發(fā)生彎曲型。

2　剪力墻設(shè)計(jì)需要重視的主要問題

剪力墻有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是自重很大，地震時(shí)吸收地震力較多的缺點(diǎn)也十分明顯。為了抵抗地震力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將會(huì)加強(qiáng)基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)體系，會(huì)增加的工程建設(shè)成本；剪力墻體系，盲目增加鋼筋用量，會(huì)導(dǎo)致建筑墻肢結(jié)構(gòu)自身的軸壓力較低，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開裂；剪力墻中配筋率比偏低，將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系延展性差，抗拉抗剪等力學(xué)性能減弱。因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅要盲目考慮建筑工程施工成本，還要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)能力進(jìn)行綜合考慮，權(quán)衡二者之間平衡點(diǎn)。

3　剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1剪力墻結(jié)構(gòu)效能

剪力墻墻身與連梁是剪力墻系統(tǒng)的重要組成部分。剪力墻墻體中包括的有豎向鋼筋和水平鋼筋，具體用量確定，主要對(duì)正截面的抗彎承載力與斜截面的抗剪承載力進(jìn)行計(jì)算。剪力墻中的鋼筋配置要求為：在一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的抗震設(shè)計(jì)中，豎向配筋率與水平配筋率不能低于0.25%；在四級(jí)、一級(jí)非抗震設(shè)計(jì)中，其配筋率不能低于0.2%。在四級(jí)、一級(jí)非抗震設(shè)計(jì)中，其配筋率不能低于0.2%。另外，剪力墻的豎向鋼筋與水平鋼筋之間的距離適宜在300mm左右，直徑不能低于8mm。當(dāng)剪力墻受水平荷載，墻肢產(chǎn)生扭曲形變，連續(xù)梁此時(shí)對(duì)于墻肢的水平力約束將平衡水平恒載，在一定意義上能夠改善墻肢的受力狀態(tài)，對(duì)墻肢能起到約束的作用，在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行計(jì)算的過程中，需要對(duì)連梁剛度以及高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，有效增加跨度以此降低結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，能有效緩解地震對(duì)剪力墻的影響。

3.2剪力墻平面布置

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻負(fù)擔(dān)自重、水平地震作用力、豎向荷載力以及風(fēng)荷載力。所以，布置豎向剪力墻構(gòu)件時(shí)，首先要能滿足建筑物自身荷載，宜沿軸網(wǎng)對(duì)稱布置，但多數(shù)建筑因自身功能流線原因，無法做到對(duì)稱，則要求剪力墻均衡布置在建筑內(nèi)部，防止剪力墻密度不均，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。平面布置時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：a.慎用短肢剪力墻。短肢剪力墻營(yíng)造的空間靈活，能夠適應(yīng)多種建筑平面功能要求，并且能夠有效降低自重，但自身抗震性能不強(qiáng)，不利于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性。b、剪力墻不宜過長(zhǎng)。長(zhǎng)度很大的剪力墻，剛度大、結(jié)構(gòu)的周期過短，不利于抵抗地震力，而且剪力墻只有處于受彎狀態(tài)，才能有足夠的延性，所以高細(xì)形狀的剪力墻力學(xué)性能更優(yōu)秀，如果剪力墻太長(zhǎng)時(shí)，將形成低寬剪力墻，就會(huì)由受剪破壞，剪力墻呈脆性，不利于抗震。所以如果剪力墻過長(zhǎng)，應(yīng)用連量劃分成數(shù)段剪力墻段，且高寬比應(yīng)不小于2；c.合理設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)整體剛度，因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)剛度大，地震力比較大，消耗施工材料多，不具有經(jīng)濟(jì)性，盲目提高剪力墻強(qiáng)度將造成較大浪費(fèi)。

3.3剪力墻豎向布置

豎向連續(xù)是剪力墻布置的原則之一，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)建不連續(xù)會(huì)造成剛度突變，受地震力容易被破壞。由于建筑平面功能限制會(huì)有剪力墻取消的情況，如果頂層局部剪力墻需要取消，則其余剪力墻應(yīng)在構(gòu)造上予以加強(qiáng)；而底層局部剪力墻取消時(shí)，應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。此外剪力墻的厚度應(yīng)隨高度增加設(shè)置階段變化，每次減小50-l00mm的厚度，保證建筑整體剛度變化均勻連續(xù)。普通剪力墻厚度變化時(shí)宜兩側(cè)同時(shí)內(nèi)收。而外墻及電梯間墻可只單面內(nèi)收。

3.4合理配置剪力墻中暗柱、端柱鋼筋

規(guī)范規(guī)定，對(duì)于一級(jí)、二級(jí)以及三級(jí)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一定要設(shè)置暗柱與端柱。暗柱與端柱是“約束邊緣構(gòu)件”和“構(gòu)造邊緣構(gòu)件”兩大類。暗柱的寬度等于墻的厚度。暗柱與端柱，能夠在一定程度上消耗大量地震波的能量，因?yàn)榧袅Φ倪吘墭?gòu)件抗拉的能力很強(qiáng)，所以能夠有效的提高建筑的穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

目前，我國(guó)土地資源越發(fā)緊張，高層建筑逐漸增加將是建筑市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，順應(yīng)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。在高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的運(yùn)用。剪力墻既能滿足高層建筑的結(jié)構(gòu)功能需要，也能滿足日益豐富的建筑空間變化需求。還能滿足工程經(jīng)濟(jì)性需求和耐久性的要求。

因此，研究如何充分發(fā)揮剪力墻力學(xué)性能是研究如何高效的提高建筑物的抗震性能的關(guān)鍵。也是每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師必須面臨的課題。

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