某高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)布置和優(yōu)化設(shè)計分析

謝汝劍

[摘要]本文基于高層剪力墻住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作實例，詳細(xì)介紹了整體結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)分析到局部構(gòu)造措施，目標(biāo)為從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度加強該項目的成本（投資）控制、工期控制和質(zhì)量控制，確保提升本項目的綜合效益，建設(shè)結(jié)果驗證了優(yōu)化效果較為理想。

[關(guān)鍵詞]剪力墻結(jié)構(gòu)；高層住宅；結(jié)構(gòu)選型，優(yōu)化設(shè)計

文章編號：2095-4085（2016）05-0052-03

高層住宅建筑既要滿足結(jié)構(gòu)方面的安全耐久要求，又要實現(xiàn)用戶功能上的個性需求，通常受力復(fù)雜、用料多，需要合理考慮布局、受力及材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨著住宅建筑經(jīng)濟性、可靠性甚至安全性諸多問題考驗。從應(yīng)用層面分析對比發(fā)現(xiàn)，剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅建筑中的使用能夠達(dá)到較高的綜合效益，17層左右的高層建筑較5層左右住宅要節(jié)約45%左右土地資源，因此，在該領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在我國超過了72%的使用比例，設(shè)計過程中嚴(yán)格考慮布置和優(yōu)化措施意義較大。剪力墻住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化重點在于整體布置、功能、體系、尺寸、形狀到構(gòu)造等各方面的綜合考量，同時反映出成本效益，應(yīng)用較多的工具，是一項系統(tǒng)性較強的工作。

1.工程概況

工程位于遼寧省盤錦市，五棟高層住宅建筑中兩棟18層（主體高度55.3m）、三棟17層（主體高度53.9m），基礎(chǔ)埋深為3m，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。建筑抗震等級為三級，抗震措施采用7度設(shè)防烈度，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑物耐火等級為二級，結(jié)構(gòu)整體計算采用SATWE程序。

2.結(jié)構(gòu)布置

本項目著重分析該類型建筑中剪力墻的布置和梁板的布置問題。按照每個標(biāo)準(zhǔn)層的單位面積計算，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在7度設(shè)防烈度區(qū)域通常剪力墻墻身的用鋼量達(dá)到45%到65%，而邊緣構(gòu)件此比例為30%到50%，布置好剪力墻可以實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。布置住宅建筑剪力墻需遵從降低剪力墻數(shù)量、降低邊緣構(gòu)件數(shù)量、用抗側(cè)力構(gòu)件占比盡量少的方案達(dá)到建筑抗側(cè)和抗扭剛度的要求等原則。設(shè)計過程中主要使用強周邊、弱中間，均勻長墻優(yōu)先、短墻減少，L，T、十字等規(guī)則墻肢優(yōu)先、復(fù)雜轉(zhuǎn)折形式減少，連續(xù)形式增高、半框形式減少，建筑結(jié)構(gòu)在高度上變化均勻，墻肢的軸壓比盡量差距降低等方法。

該類型建筑統(tǒng)計數(shù)據(jù)同樣發(fā)現(xiàn)梁板布置作用同樣重要，通常用鋼量達(dá)到35%到55%，由于高層住宅通常并不存在非常大的荷載，優(yōu)化余地較多。本項目按照規(guī)范最低限值的撓度、裂縫和管道設(shè)備進行分析，遵循傳力路徑簡明、跨度做到3.0～5.0m的經(jīng)濟跨度、降低高連梁使用等原則。

3.結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合建筑特點、規(guī)范要求和綜合指標(biāo)構(gòu)建了結(jié)構(gòu)布置，構(gòu)建兩種對比初步結(jié)構(gòu)模型進行了試算，試算從鉸接模型調(diào)整后進行剛接模型二次試算，調(diào)整結(jié)構(gòu)位移比、周期比以及層問位移角。其中進行的位移比優(yōu)化效果如表1所示。

兩個模型均能夠滿足規(guī)范要求，優(yōu)化后的模型整體穩(wěn)定性更優(yōu)，更能抵抗最不利條件。其他參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整同樣遵循深化對比分析的思路，最后進行整體分析，選擇統(tǒng)籌效果最佳的結(jié)構(gòu)方案。結(jié)構(gòu)計算過程中發(fā)現(xiàn)個別連梁出現(xiàn)了超筋問題，采取增加洞口寬度、降低梁界面、提高連梁跨高比、轉(zhuǎn)移地震力等方法均能起到較好的效果。

圖1所示為經(jīng)過上述優(yōu)化思路處理后的部分標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置和初步配筋情況。

4.構(gòu)造措施

本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中從墻的配筋和梁的配筋兩個方面深入優(yōu)化了構(gòu)造措施。

墻帶翼緣邊緣構(gòu)件通常配筋量都比較大，本項目中針對該細(xì)部構(gòu)造采取了剪力墻組合配筋形式進行獨立計算配筋，降低此類構(gòu)造措施配筋超過30%，運算初值需要參照經(jīng)驗代入。墻肢之間有較高連梁的小開口整體墻中，開洞所產(chǎn)生一字墻配筋可以針對洞口兩側(cè)按照構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋，不考慮短肢剪力墻，在L形、T形和十字形剪力墻中可以參照類似的措施，減小短肢剪力墻的定義范圍。L形與T形剪力墻會出現(xiàn)腹板同翼緣難以匹配的情況，在構(gòu)造上需要放寬翼緣的邊緣構(gòu)件要求，十字形剪力墻中出現(xiàn)類似情況時可以以暗柱考慮構(gòu)造情況。對于厚度大于300mm單片短肢剪力墻，構(gòu)造上按照普通剪力墻或者框架柱運算效果更好。構(gòu)造上還需要考慮高強度混凝土或溫度應(yīng)力集中區(qū)域的收縮應(yīng)力與溫度應(yīng)力控制，以減少裂縫產(chǎn)生的可能，通?？商岣咚椒植冀钆渲糜昧?。為了錨固住連梁、豎向鋼筋與框架梁縱筋，剪力墻頂部的暗梁效果顯著，暗梁設(shè)計高度可取400～500mm，縱筋與箍筋按照構(gòu)造要求設(shè)計。

考慮到地震作用影響，本高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁和框架梁內(nèi)力與配筋計算過程中歸并了部分樓層，減少豎向變化，配筋差別較大的獨立配筋，盡量節(jié)省用鋼。對于錨固足夠且支座彎矩過大的梁（超過總彎矩30%）按照框架梁進行構(gòu)造設(shè)計，與之相對應(yīng)的剪力墻處以暗柱配筋構(gòu)造處理。

5.成本控制措施

結(jié)合同類項目結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，本項目設(shè)計中推薦隔墻采用類似于加氣混凝土砌塊的輕質(zhì)墻體，在降低荷載與地震作用的同時，減少了成本。受力集中的暗柱和梁等處建議使用高強鋼筋，可以降低配筋量。在運算處理過程中的荷載階段，細(xì)化墻體荷載優(yōu)化（如扣除門窗洞口等）以減少非必要性荷載參與計算。

結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)劣對于成本控制效果顯著，同時還需要做到精細(xì)計算。剪力墻布置在充分考慮水平和豎向承重條件下應(yīng)該盡量擴大間距；沿著建筑豎向的剪力墻要保持均勻變化的厚度設(shè)計；剪力墻軸壓比和層間位移角等參數(shù)設(shè)計要靠近規(guī)范限制值，降低剪力墻使用量和結(jié)構(gòu)自重。

構(gòu)建模型進行運算過程需要精細(xì)化，導(dǎo)出的計算結(jié)果進行復(fù)核后要作為配筋執(zhí)行依據(jù)，設(shè)計過程中參數(shù)選擇要嚴(yán)謹(jǐn)，各項放大系數(shù)要有依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)的安全。

6.結(jié)語

本項目估價約4.3億元，于2014年竣工驗收，施工效果顯示其達(dá)到了預(yù)期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。從剪力墻布置和梁板布置著手，并在電算基礎(chǔ)上強化手算和分析，嚴(yán)格控制配筋量，從而實現(xiàn)了用鋼量控制；在大的結(jié)構(gòu)布置和小的構(gòu)造精細(xì)計算等多個方面著手，充分發(fā)掘剪力墻細(xì)部構(gòu)造措施優(yōu)化潛力，增加優(yōu)化措施，確保本項目受力合理、結(jié)構(gòu)安全且嚴(yán)格控制造價。