淺析高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王健

前言

剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)于高層建筑性能提升有著很大的促進(jìn)作用，但在剪力墻的應(yīng)用中還存在很多不足，所以需要將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)做好。

1 關(guān)于高層剪力墻的概念概述

剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于我國(guó)高層建筑墻體結(jié)構(gòu)中，它主要是通過混凝土和鋼筋對(duì)建筑設(shè)計(jì)。剪力墻結(jié)構(gòu)作為整體建筑的構(gòu)件，要契合建筑的整體布局，滿足建筑的平面結(jié)構(gòu)，還具有抗震、抗風(fēng)、承重的能力。高層建筑的剪力墻中有許多的承重柱，讓建筑物內(nèi)部簡(jiǎn)潔美觀，這樣使得內(nèi)部的活動(dòng)空間變得更大，房屋使用者可以最大限度地根據(jù)自己的要求對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足自身需求。

2 高層建筑中剪力墻的應(yīng)用評(píng)價(jià)

在高層建筑中，抗震性能是決定建筑質(zhì)量的重要因素，因此，需要有效控制建筑物在地震水平荷載作用下產(chǎn)生的橫向位移量，該情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，如何進(jìn)行剪力墻受力分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算，成為建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的熱議課題。剪力墻結(jié)構(gòu)具有整體性良好、側(cè)向剛度大，同時(shí)在水平力作用下位移量小的優(yōu)點(diǎn)，由于沒有梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有利于建筑物內(nèi)部空間的布局設(shè)計(jì)。隨著建筑物高度不斷升高，在地震等外力作用下，建筑物產(chǎn)生的橫向位移量會(huì)越來越大，剪力墻結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生扭曲形變，在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大都將剪力墻簡(jiǎn)化成具有等效剛度的桿件，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其需要注意剪力墻在和樓面連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該采取有效地控制措施，提升整體穩(wěn)定性。

3 高層建筑中剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化剪力墻布局設(shè)計(jì)

高層建筑中剪力墻的布局，宜按照“均勻、對(duì)稱、分散、周邊”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，剪力墻宜均勻?qū)ΨQ地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位。剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的承載能力，在高層建筑中，通?？梢越Y(jié)合建筑自身的需求，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，不設(shè)梁，在地震等作用力下承擔(dān)一部分水平荷載。在建筑設(shè)計(jì)中，需要考慮豎向承載力的分布，充分考慮高層建筑結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。此外，高層建筑剪力墻的設(shè)計(jì)過程中，還需要重點(diǎn)考慮在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側(cè)不宜同時(shí)設(shè)置剪力墻。要做好防水處理，可在外部涂抹水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，并高出滲水處50cm，使用滲透結(jié)晶型堵漏材料和10%滲透結(jié)晶型基層處理劑混合水泥砂漿，用鋼絲網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。

3.2 優(yōu)化框架剪力墻設(shè)計(jì)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)主要就是由梁柱構(gòu)成的框架和部分剪力墻組成。框剪結(jié)構(gòu)的剪力墻常為填充墻體，主要承受水平荷載和堅(jiān)向荷載，適用于平面或豎向布置復(fù)雜、水平荷載大的高層建筑?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)中的剪力墻，應(yīng)該設(shè)計(jì)成周邊有梁柱或者暗梁柱的帶邊框剪力墻?？v橫向相鄰剪力墻宜連接在一起形成L形、T形及矩形等，以增大剪力墻的剛度以及抗扭能力。此外，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，墻體在堅(jiān)向布置時(shí)，需要注意剪力墻要貫通整個(gè)建筑的全高，保持建筑物上下剛度均勻連接。當(dāng)高層建筑剪力墻堅(jiān)向特性發(fā)生某種變化時(shí)，墻體自身的厚度和混凝土等級(jí)需要隨之改變，當(dāng)高度增加時(shí)，可以適當(dāng)減少墻肢數(shù)量，降低建筑物的整體剛度。對(duì)于高層建筑中門窗等洞口布置時(shí)，需要注意避免在剪力墻端部設(shè)計(jì)，在剪力墻方向開設(shè)門窗時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行堅(jiān)向?qū)R布置，整個(gè)高層建筑的門窗長(zhǎng)度寬度相同，確保建筑物墻體和連梁得到合理的分布。

3.3 優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度不要過大，在滿足樓層層間位移與層高之比的基礎(chǔ)上，以最小剪力系數(shù)為目標(biāo)。剪力墻連梁是否超限、底部的軸壓比是否符合規(guī)范要求都是要考慮的。計(jì)算參數(shù)的選取是很重要的：①周期折減系數(shù)：填充墻較多時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)，取0.9～1.0；填充墻較少時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)，取1.0。填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)周期的折減，是指填充墻的剛度影響高層建筑主體結(jié)構(gòu)剛度的程度，主體結(jié)構(gòu)的剛度大則填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響小，剛度小則影響大；填充墻的剛度大對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響也大，剛度小影響就小。②振型個(gè)數(shù)：以保證振型參與質(zhì)量大于或等于總質(zhì)量的90%為前提。高層建筑地震作用振型數(shù)非耦聯(lián)時(shí)n≥9個(gè)，耦聯(lián)時(shí)n≥15個(gè)；對(duì)多塔結(jié)構(gòu)振型數(shù)n≥塔樓數(shù)量X9。③連梁剛度折減系數(shù)：在內(nèi)力和位移的計(jì)算中，連梁剛度折減系數(shù)可取0.5；當(dāng)結(jié)構(gòu)位移由風(fēng)荷載控制時(shí)，連梁剛度折減系數(shù)最好不小于0.8。

3.4 優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)

在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁是一項(xiàng)關(guān)鍵的耗能構(gòu)件，連梁常被稱為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的“保險(xiǎn)絲”，它可以起到耗散地震能量的作用。所以一定要優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的設(shè)計(jì)，連梁的強(qiáng)剪弱彎應(yīng)該反復(fù)多次驗(yàn)算，確保高層建筑在修建完畢后連梁的彎曲破壞比剪切破壞晚。除此之外，在實(shí)際施工過程中也不能隨意加大連梁縱筋和箍筋，前者會(huì)導(dǎo)致無法滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求，后者會(huì)導(dǎo)致剪切破壞提前發(fā)生。例如：當(dāng)連梁的跨高比大于5時(shí)，剛度不能減少，需要按照框架梁的要求設(shè)計(jì)施工，此時(shí)可將跨高比為增加至6，解決剛度不減少導(dǎo)致剪力過大的情形，還可以減少鋼筋混凝土的使用量，從而減少投資成本。

3.5 優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)配筋

剪力墻配筋控制對(duì)建筑物主體造價(jià)起著關(guān)鍵性的作用。通過以往高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比，一般的剪力墻配筋幾乎都是按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率構(gòu)造配筋，所以控制剪力墻厚度，可以有效地控制剪力墻墻身鋼筋用量。選擇優(yōu)質(zhì)的材料是進(jìn)場(chǎng)前第一步要做好的工作，鋼筋材料的選擇是至關(guān)重要的，各種合格證明一定要檢查清楚。合格的鋼筋才能進(jìn)入施工場(chǎng)地。剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋選擇要滿足工程測(cè)算和建議標(biāo)準(zhǔn)的材料，將水平鋼筋安置在外側(cè)，垂直鋼筋安置在內(nèi)側(cè)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少建筑成本。

4 結(jié)語

總而言之，剪力墻結(jié)構(gòu)憑借良好的可操作性在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用，為更好發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的作用，還需要做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。