高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與剪力墻設(shè)計(jì)

馬德寧

摘要：隨著城鎮(zhèn)化腳步的加快，大批高層建筑不斷的涌現(xiàn)出來。作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，必須充分了解和掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，才能使設(shè)計(jì)達(dá)到工程施工要求。高層建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循四點(diǎn)基本原則，即技術(shù)合理、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用、安全施工、保證質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；特點(diǎn)；剪力墻設(shè)計(jì)

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及機(jī)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分利用新工藝、新材料和新技術(shù)，完全與設(shè)備、施工及建筑緊密聯(lián)系，使建筑物經(jīng)濟(jì)合理、安全實(shí)用。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)選型，優(yōu)先選擇抗風(fēng)及抗震性能好，并且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系與平、立面布置方案，并注意做好構(gòu)造連接。目前，我國的高層建筑物普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一般有筒體結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)體系。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)占有非常重要位置，不同結(jié)構(gòu)體系，直接影響到建筑平面布置、立面形態(tài)、機(jī)電管道鋪設(shè)、樓層高度、施工技術(shù)、施工周期、以及投資成本等。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下特點(diǎn)。

2.1 水平荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定因素

水平荷載是指建筑物受水平方向作用力風(fēng)荷載和地震作用，施加在工程結(jié)構(gòu)上，使建筑物產(chǎn)生內(nèi)力和變形。高層建筑自重和樓面使用荷載會(huì)在豎構(gòu)件中引起彎矩和軸力，而其數(shù)值僅和建筑物高度的一次方成正比。對(duì)特定高度建筑物來講，雖然豎向荷載基本上是定值，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到重要影響[1]。但水平載荷對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，和對(duì)豎構(gòu)件產(chǎn)生的軸力，和建筑物高度的二次方成正比。因此，水平荷載成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定因素。

2.2 側(cè)移和軸向變形是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)控制指標(biāo)

建筑物高度不斷向上增加，水平荷載結(jié)構(gòu)會(huì)使側(cè)移變形增大，且速度非?？?。因此，和低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移問題是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要考慮到的控制因素。水平荷載結(jié)構(gòu)下，側(cè)移應(yīng)被控制在合理范圍之內(nèi)；若高層建筑采用框架――剪力墻結(jié)構(gòu)，框架邊柱軸壓應(yīng)力通常小于中柱，其變形程度自然小于中柱[2]。當(dāng)建筑物上升到一定高度時(shí)，軸向變形會(huì)達(dá)到較大數(shù)值。若不控制好軸向變形，將會(huì)給建筑物未來使用帶來巨大影響。

2.3 抗震要求更高

目前，我國多數(shù)高層建筑基本抗震要求為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了豎向荷載、風(fēng)荷載正常使用指標(biāo)要合理設(shè)計(jì)外，還應(yīng)從概念設(shè)計(jì)、抗震驗(yàn)算和構(gòu)造措施等三方面充分考慮進(jìn)去，將“抗震”和“消震”充分結(jié)合起來，建立雙重指標(biāo)與方法（地震力與結(jié)構(gòu)延伸性相互影響），通過一系列結(jié)構(gòu)措施達(dá)到減震效果。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性階段后，局部構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)開裂，嚴(yán)重時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成破壞，常規(guī)計(jì)算原理和方法很難對(duì)此進(jìn)行衡量分析。因此，高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)抗震要求越來越高。

3 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻，通常稱為是抗風(fēng)墻、結(jié)構(gòu)墻，或者抗震墻等，在高中建筑結(jié)構(gòu)中所起的作用是承受因風(fēng)荷載、地震作用造成的水平荷，對(duì)于防范建筑結(jié)構(gòu)剪切破壞，具有非常重要的作用。

作為高層建筑設(shè)計(jì)中必不可少的一部分，其對(duì)整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、承載能力等，具有非常重要維護(hù)作用。

3.1抗震設(shè)計(jì)

研究表明，之所以高層建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻會(huì)在每次地震過程中受到較為嚴(yán)重的破壞，主要是因?yàn)楦邔咏ㄖ袅Y(jié)構(gòu)底層位置、上部之間的剛度存在著一定的差距，而且剛度數(shù)據(jù)懸殊比較大，地震發(fā)生時(shí)其作用力主要集中在底層位置，造成底層出現(xiàn)了非常明顯的彈塑性集中變形問題。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻結(jié)構(gòu)來說，底層與上部之間的剛度比，需要進(jìn)行非常嚴(yán)格的有效控制。因不同區(qū)域的抗震設(shè)防烈度存在著一定的差異性，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)抗震進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，以確保其合理性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2連梁設(shè)計(jì)

對(duì)于剪力墻連梁而言，尤其在高垮比分類層面上，包括小于、大于2.5兩種類型，而且均明確對(duì)截面配筋、受剪承載力做出了明確的規(guī)范和要求。同時(shí)，可采用以下方式進(jìn)行塑性調(diào)幅：

第一，內(nèi)力計(jì)算過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)連梁剛度進(jìn)行拆減；第二，內(nèi)力計(jì)算完成后，連梁彎矩與剪力組合值應(yīng)當(dāng)乘拆減系數(shù)。在此過程中需要強(qiáng)調(diào)的是，上述兩種方法在應(yīng)用過程中，均需確定剪力、彎矩設(shè)計(jì)數(shù)值，而且均勻比調(diào)整值要小一些。彎矩設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)注意比設(shè)防烈度低一度地震組合設(shè)計(jì)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)防治裂縫病害，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性，具有非常重要的作用。

3.3長肢墻設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)剪力墻時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其展延性加強(qiáng)重視，尤其要對(duì)呈高細(xì)形狀的剪力墻，需注意其展延性和、彎曲破壞性等，以此來有效避免出現(xiàn)脆性剪切破壞問題。墻肢長度相對(duì)較長時(shí)，為有效滿足各墻段高寬比要求，建議采取開洞方法將長墻人為地分割成小而均勻、相對(duì)比較獨(dú)立的墻段。當(dāng)墻段自身的長度相對(duì)較小時(shí)，在受彎情況下出現(xiàn)的裂縫寬度也相對(duì)比較小一些，此時(shí)可充分地發(fā)揮出剪力墻墻體配筋之作用。對(duì)于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)而言，其中存在著一些長度八米左右的長墻肢，理論層面上通過計(jì)算剪力大小，可確定剪力墻自身的長墻肢。發(fā)生地震時(shí)，尤其在強(qiáng)震發(fā)展過程中，長墻肢容易遭受破壞或者影響，而短墻肢會(huì)因配筋不足，導(dǎo)致整個(gè)墻面的構(gòu)遭受破壞或者影響。

3.4轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)合理選擇高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的上部、下部結(jié)構(gòu)剛度，通常剪力墻轉(zhuǎn)換層的自身剛度相對(duì)較大，不僅會(huì)影響豎向上的剛度，而且會(huì)影響建筑施工材料的實(shí)際應(yīng)用量。若剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層自身的剛度太小，則可能會(huì)導(dǎo)致沉降差問題，導(dǎo)致較為明顯的次應(yīng)力在其上部位置與水平位置之間出現(xiàn)。從而榀跨度直線型鋼筋混凝土桁架比較情況來看，屋面兩端采用框架柱為端桿較為合適，而且對(duì)屋面相鄰跨處理所起的作用非常的明顯；腹桿立桿通常以3.9米間距為宜，腹桿斜桿布設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能的減小下弦桿截面面積，以充分發(fā)揮桁架自身的整體性特點(diǎn)和作用?；趯?duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的功能要求考慮，避讓建筑通道，給專業(yè)管道留出一定的空間，這也是轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

4 結(jié)論

雖然很多的高層建筑結(jié)構(gòu)都使用剪力墻結(jié)構(gòu)，但是要根據(jù)建筑自身的特點(diǎn)來選擇哪種類型的剪力墻，不能盲目使用。在設(shè)計(jì)時(shí)要注意需要計(jì)算的比值，只有計(jì)算清楚才能開展具體的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]石永忠；淺談建筑設(shè)計(jì)的基本原則；[J]；《黑龍江科技信息》；2012年2期.

[2]吳繼成.高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建設(shè)科技，2010（06）.

[3]郭兆偉.高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)分析[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2011，01：24-25.

[4]崔維華.高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題的探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2007，06：152-153.

（作者單位：石河子博力工程管理有限公司）