剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

王磊

摘要：最近幾年，我國高層建筑物在許多的城市中建設(shè)的越來越多，其規(guī)模也越來越大，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度非常大，其豎向的承載力也非常大，所以，其在高層建筑物建設(shè)中的應(yīng)用也越來越普遍了。本文主要講述了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化原則，并對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化分析。

關(guān)鍵詞：剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；分析

中圖分類號：TU973.16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）11—157—02

前言

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在高層房屋中被大量運(yùn)用。在整個剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，了解剪力墻的分類以及受力形式，并在設(shè)計過程中，運(yùn)用一些可靠且有效的優(yōu)化原則，對于剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來說是十分重要的。

1高層建筑剪力墻的分類

剪力墻根據(jù)是否開洞以及開洞的大小可以分為以下幾個類型。

1.1實(shí)體墻

實(shí)體墻就是指沒有開洞或者開洞的面積小于整個墻體面積15%的墻體。其具有懸臂墻的受力的特點(diǎn)。其彎矩圖是沒有突變，也沒有拐點(diǎn)，整個墻體的變形是以彎曲型為主。

1.2整體的小開口剪力墻

主要指孔的面積占15%以上的整堵墻區(qū)域，但仍然屬于小面積的洞墻，其力學(xué)特性結(jié)合梁的彎矩圖突變，在高度上沒有拐點(diǎn)，或只是在個別建筑物的樓層有一個拐點(diǎn)。

1.3雙脂肢或者多肢剪力墻

所謂的雙肢或者多肢剪力墻主要是說開洞比較大的或者洞口成列布置的墻體。它的受力特點(diǎn)是和整體的小開口的剪力墻相類似的。

1.4壁式框架

壁式框架是指孔洞的規(guī)模相對較大，而連接梁線的剛度和墻肢線的剛度比較接近的墻體。其力學(xué)特性是彎矩圖在樓層地方發(fā)生突變，并將在大多數(shù)樓層地板中出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的原則

2.1墻面承載力與剛度合乎標(biāo)準(zhǔn)

在建筑工程的設(shè)計中，其剪力墻平面內(nèi)外的承載力和剛度一定要達(dá)到建筑工程所需要的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說一定要保證剪力墻平面的外承載力和剛度要比內(nèi)承載力和剛度要小一些。建筑工程項目在建設(shè)施工的時候，梁體和平面外方向的剪力墻一般是用單側(cè)的連接方式來進(jìn)行連接的。這會使得墻肢平面外產(chǎn)生彎矩。但在一般的情況下設(shè)計施工時常出現(xiàn)墻的承載力與剛度不足的現(xiàn)象，所以除特殊要求外，一般采用墻平面外部單側(cè)的連接方式，使用這種方式時為保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性，必須對其方法進(jìn)行改進(jìn)。

2.2樓層間剪力系數(shù)為最小

實(shí)際操作過程，必須保證樓層間剪力系數(shù)為最小，這樣做可以有效降低建筑物重量，提升建筑物的抗震性，防止安全隱患的發(fā)生。在設(shè)計與施工的過程中，設(shè)計人員要按照剪力墻承受力矩的大小來調(diào)整樓層剪力系數(shù)，以保證剪力系數(shù)為最小。同時，也要在保證施工質(zhì)量的前提下，盡量減少使用剪力墻。通過對剪力墻側(cè)向剛度的增加可以有效降低工程的施工成本，在給客戶降低成本的同時杜絕資源浪費(fèi)。

2.3樓層層高比與樓層間位移最大化

實(shí)際操作中，通常會采用合理的方案調(diào)整樓層之間的位移與層高比，用來保證樓層層高比和樓層間位移的最大化。剪力墻在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計位移計算過程中對建筑結(jié)構(gòu)的變形并沒有計算在內(nèi)，與傳統(tǒng)建筑相比它的位移關(guān)鍵點(diǎn)在于樓層間的彎曲與變形。一般說來樓層間比較容易產(chǎn)生的是扭轉(zhuǎn)與剪切。剪切主要是由于建筑物中豎向構(gòu)件的原因構(gòu)成的。這就要求我們必須根據(jù)建筑物的實(shí)際情況對豎向構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，在保證豎向構(gòu)件數(shù)量的同時，保證樓層間不出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形或減小其變形程度。這就要求在真實(shí)的施工中，必須對樓層間位移最大化和層高比進(jìn)行實(shí)時的檢測，防止或降低扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，這樣可以整體提升建筑物的安全性。

2.4連梁結(jié)構(gòu)的限額調(diào)整.

剪力墻連梁的設(shè)計跨高比必須超過2.5，如果無法超出該數(shù)值，將會使剪力墻連梁的剪力與彎矩超出合理要求，這是產(chǎn)生安全隱患的誘因。當(dāng)剪力墻連梁的跨高比過大時，同樣也會產(chǎn)生安全隱患，同樣也會使剪力與彎矩超出合理要求。所以，我們在實(shí)際操作時，剪力墻在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須保證做到連梁可以進(jìn)行限額調(diào)整，這樣不但可以提升建筑物穩(wěn)定性，還可以保證其質(zhì)量與施工的效率，這也是合理降低施工成本的重點(diǎn)之一。

3高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計需要許多方面工作的支持。以下從優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、確保結(jié)構(gòu)均勻、合理開設(shè)洞口、進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析等方面出發(fā)，對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了分析。

3.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先應(yīng)當(dāng)著眼于結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化。設(shè)計人員在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時首先應(yīng)當(dāng)確保剪力墻是沿著主軸方向或者是其他方向來進(jìn)行雙向布置。這一布置在一方面能夠形成良好的空間結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，并且還能夠使兩個受力方向的抗側(cè)剛度接近，最終使其具有較好的空間工作性能。其次，剪力墻上要求開設(shè)門窗洞，因此設(shè)計人員在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)當(dāng)針對剪力墻的抗側(cè)剛度較大的特性來進(jìn)一步充分利用剪力墻的能力，例如設(shè)計人員可以減輕結(jié)構(gòu)重量并且以此基礎(chǔ)上增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間。與此同時，設(shè)計人員在優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)當(dāng)在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升剪力墻的質(zhì)量與使用壽命。

3.2確保結(jié)構(gòu)均勻

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化還應(yīng)當(dāng)確保結(jié)構(gòu)的均勻性。由于高層建筑按照所用結(jié)構(gòu)材料可以分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。并且于砌體材料的抗拉強(qiáng)度較低，抵抗水平荷載作用的能力和延性較差，在高層建筑中很少使用。高層結(jié)構(gòu)的基本受力單元包括框架、剪力墻和簡體。伴隨著高層建筑的迅速增加，原來的框架結(jié)構(gòu)因?yàn)槁读?，露柱現(xiàn)象已逐漸被剪力墻結(jié)構(gòu)所替代。剪力墻是以承受水平荷載為主的豎向構(gòu)件，其寬度可達(dá)幾十米甚至上百米。設(shè)計人員在確保結(jié)構(gòu)均勻時應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)墻肢剛度相差過于懸殊的洞口設(shè)置，并且當(dāng)剪力墻的洞口布置出現(xiàn)錯洞問題時設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)通過采取框架形式等不同的方法來迅速的對其進(jìn)行處理。其次，設(shè)計人員在確保結(jié)構(gòu)均勻時應(yīng)當(dāng)確保剪力墻能夠自下到上連續(xù)布置，從而能夠有效的避免剛度突變問題的出現(xiàn)。與此同時，設(shè)計人員在確保結(jié)構(gòu)均勻時可以沿高度來有選擇性的減少部分墻肢，從而能夠避免對于結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生不利的影響。

3.3合理開設(shè)洞口

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要合理的開設(shè)洞口。工作人員在合理開設(shè)洞口時應(yīng)當(dāng)將其分成長度較為均勻的若干墻段，并且在這一過程中采用弱連梁來進(jìn)行連接，這主要是為了能夠確保每個獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比低于3，從而能夠有效的避免剪力墻產(chǎn)生脆性的剪切破壞。其次，由于高層住宅樓通常利用樓梯、電梯及豎向管道井等部位設(shè)置剪力墻，形成相對完整的簡體。設(shè)計人員在進(jìn)行抗震設(shè)計時應(yīng)當(dāng)盡量避免在洞口與墻邊或者是在兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。與此同時，設(shè)計人員在設(shè)計小墻肢截面高度小于墻厚的2倍的剪力墻時應(yīng)當(dāng)按框架柱來進(jìn)行設(shè)計，并且在這一過程中合理的控制剪力墻平面外的彎矩，從而能夠在此基礎(chǔ)上保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性。

3.4進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計人員在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)致的結(jié)構(gòu)分析。設(shè)計人員在進(jìn)行剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)首先通過結(jié)構(gòu)分析來滿足最大層間位移、周期比、位移比等重要的結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)。其次，設(shè)計人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)當(dāng)考慮到不同抗震等級情況下剪力墻的穩(wěn)定性和相關(guān)構(gòu)造要求，并且還應(yīng)當(dāng)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定來進(jìn)行設(shè)計。與此同時，設(shè)計人員在進(jìn)行剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理和剪力墻結(jié)構(gòu)的具體剛度，來最終提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

剪力墻作為現(xiàn)代建筑不可或缺的重要組成部分，在進(jìn)行剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，要做到在保證建筑物施工質(zhì)量的同時，盡量保證剪力墻使用的數(shù)量的合理性，優(yōu)化設(shè)計時還要盡可能的采用新技術(shù)、新方法與新材料，希望通過對剪力墻優(yōu)化設(shè)計的分析可以為我國建筑行業(yè)的發(fā)展做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。