論高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

黃文康

摘要：建筑工程結(jié)構(gòu)要想達到整個社會的發(fā)展需求，就必須優(yōu)化框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既要保證剪力墻結(jié)構(gòu)的牢固度與穩(wěn)定性，又要提升其抗震性能。本文重點分析了高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，以及建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑;框支剪力墻結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計;原則;方法

0前言

建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到整個建筑工程的安全，只有做好各個環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計與合理布局，才能真正地提高建筑框支剪力墻的質(zhì)量，才能從整體上維護高層建筑的安全與質(zhì)量。

1工程概況

擬建場地位于江門市恩平市米倉三路8號，于米倉三路與工業(yè)一路交匯處以西，場地呈L字型走向：東側(cè)為已建成小區(qū);南側(cè)為空地;西側(cè)為民居和籃球場;北側(cè)為民居和空地。擬建物為住宅小區(qū)（繁星小鎮(zhèn)二期項目），項目地上17層，建筑高度51.80米。本項目的自然條件和設(shè)計參數(shù)如下：基本風(fēng)壓：W0=0.60KN/m2;地面粗糙度類別：B類;抗震設(shè)防烈度：6度;設(shè)計基本地震加速度值：0.05g;設(shè)計地震分組：第一組;建筑場地類別：Ⅱ類。結(jié)構(gòu)類型為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級為四級。

2高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

2.1空間性原則

框支剪力墻現(xiàn)實設(shè)置中，必須額外關(guān)注建筑的結(jié)構(gòu)空間特點，而且要保證雙向剪力墻剛度的均衡，以此來提高剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量，發(fā)揮其優(yōu)勢使用功能。

2.2全面性原則

必須積極地控制剪力墻結(jié)構(gòu)平面以外發(fā)生的彎矩問題，有效地避免剪力墻結(jié)構(gòu)的彎矩風(fēng)險，也要把樓面梁設(shè)計為一字型剪力墻，積極地規(guī)范剪力墻墻肢和樓面梁體二者的連接程序，控制其中任何的結(jié)構(gòu)失誤現(xiàn)象。

2.3整體性原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須本著整體性原則，設(shè)計墻肢中間的連系梁過程中必須保證其整體性，而且要優(yōu)選輕質(zhì)、便捷的材料填充于砌筑的墻體中間，以此來維護剪力墻結(jié)構(gòu)的完整性、完備性。

2.4謹慎性原則

剪力墻構(gòu)造內(nèi)必須做好門窗洞的設(shè)置，保證門窗洞的上方、下方保持對齊，從而更加清晰、明確地識別連梁與墻肢，建筑設(shè)計人員也要達到一定的職業(yè)素養(yǎng)，本著高度謹慎、精細化的原則，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計如期完工后，必須深入、細致地檢查設(shè)計方案，要及時地識別其中的問題和不足，從而更好地健全建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而控制工程的建設(shè)成本，確保工程建設(shè)經(jīng)濟效益。

3結(jié)構(gòu)的設(shè)計與布局

由于高層建筑主體結(jié)構(gòu)的平面分布不均勻，規(guī)則性較差，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中一般可以設(shè)置縫隙來把建筑物來分成兩大結(jié)構(gòu)主體，這兩大結(jié)構(gòu)主體的結(jié)構(gòu)布設(shè)方式大致相同，層數(shù)也相似。因此，應(yīng)圍繞右部上方結(jié)構(gòu)加以設(shè)計。

然而，一些結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，必須采取優(yōu)化與改進對策，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)本身則作為豎直方向不規(guī)則的“豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)”的方式，也就是設(shè)置了轉(zhuǎn)換層高層建筑構(gòu)造，需采用兩項不規(guī)則模式。要想控制超限、超載問題，則要利用科學(xué)的措施和方法來控制不規(guī)則問題，其中要嚴控建筑平面凸凹不平、形狀不規(guī)則、樓板局部結(jié)構(gòu)斷開等問題，當出現(xiàn)這些問題時，則要從設(shè)計環(huán)節(jié)入手，可以將抗震縫、樓板構(gòu)造等配設(shè)于建筑結(jié)構(gòu)的合適位置，當轉(zhuǎn)換層所處位置偏高時，例如：處于三層甚至更高的部位時，則要確保轉(zhuǎn)換層上樓、下樓等的剛度符合規(guī)定的標準，而且也必須切實調(diào)節(jié)好其上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)等的部位，確保他們達到特定的剛度比。轉(zhuǎn)換層處的上結(jié)構(gòu)、下結(jié)構(gòu)的等效剛度比值越小，意味著上下結(jié)構(gòu)部位的相關(guān)參數(shù)越加明顯，例如：位移角、內(nèi)力突變等。因此，現(xiàn)實設(shè)計中要保證此數(shù)值為1，來達到相關(guān)的現(xiàn)實使用需求。

4高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計計算要點

高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計計算必須結(jié)合工程項目的特點、類型等針對性計算，對于此工程項目來說，計算參數(shù)則要參照下面的標準：

4.1正確選擇計算參數(shù)

根據(jù)建筑的類別，此建筑工程為丙類，其場地類型則屬于二類，抗震設(shè)防烈度為VI度，設(shè)計基本的地震加速度：0.05g，場地特征周期：Tg=0.35s，基本風(fēng)壓為：0.60kN/m2。

4.2結(jié)構(gòu)主控參數(shù)

結(jié)合此工程實況，其結(jié)構(gòu)形式內(nèi)自振周期的計算數(shù)據(jù)都在一個科學(xué)范疇，而且在X，Y兩個方向的自振周期沒有明顯的差別，而且轉(zhuǎn)換層方面，其上結(jié)構(gòu)、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)剛度和轉(zhuǎn)換層臨近剛度的比值也符合對應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，轉(zhuǎn)換層上結(jié)構(gòu)、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)剛度參數(shù)沒有太大的差異，這就使得其能高效地緩解結(jié)構(gòu)部件內(nèi)應(yīng)力、變形的突變，從而意味著結(jié)構(gòu)平面和豎向結(jié)構(gòu)形態(tài)都符合現(xiàn)實的標準和要求，能達到一定的抗震性能，此外，即便受到地震、風(fēng)力的干擾，對應(yīng)的位移、轉(zhuǎn)角等也較小，從而確保其符合技術(shù)規(guī)范等級。

框支剪力墻構(gòu)造要站在結(jié)構(gòu)、布局以及設(shè)計等方面，此結(jié)構(gòu)為三維受力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對應(yīng)的豎向剛度參數(shù)浮動則較大，對應(yīng)的受力也相對復(fù)雜，眾多的環(huán)節(jié)都相對薄弱，可以參考技術(shù)規(guī)范來對應(yīng)選擇達到現(xiàn)實需求的三維分析系統(tǒng)，從而優(yōu)化其整體性能，框支的剖析也要積極地運用有限元軟件來加以分析，其中要清晰地指出應(yīng)力分布特點，并對應(yīng)核查框支梁、柱、周圍墻體構(gòu)造的配筋度，確保他們都符合現(xiàn)實的利用需求。有限元分析要鎖定一個特定范圍：底層框架、框支層與若干墻體結(jié)構(gòu)。

4.3明確抗震等級

建筑結(jié)構(gòu)方面，轉(zhuǎn)換層之下則為框架剪力墻構(gòu)造，相反，上方則為剪力墻構(gòu)造，現(xiàn)實的框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須明確抗震等級，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)體系來分析、研究各個構(gòu)造的構(gòu)件特點、型號，并且要結(jié)合高層建筑設(shè)計的規(guī)范、規(guī)定與要求，來科學(xué)定位轉(zhuǎn)換層的部位，做好框支柱，要重點強化剪力墻的根部，使其牢固，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的橫豎兩大方向的抗剪力得以延伸，同時，也要憑借運用此方式，來對應(yīng)提升墻體結(jié)構(gòu)、抗溫應(yīng)力，只有這樣才能最大程度地抑制混凝土裂縫。其中需要重點關(guān)注的是：在設(shè)計剪力墻時，應(yīng)合理地增設(shè)水平筋，尤其是特殊部位，例如：溫度頻繁變動、剛度變化明顯等部位，以此來確保結(jié)構(gòu)安全與整個建筑工程的結(jié)構(gòu)牢固與穩(wěn)定。

4.4結(jié)構(gòu)平面的布局

高層建筑框架剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，實際的結(jié)構(gòu)體系相對復(fù)雜，而且很多結(jié)構(gòu)都不太規(guī)則，個別建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計也未能規(guī)則對稱，因此，建筑結(jié)構(gòu)平面局部設(shè)計方面，必須反復(fù)加以驗算，在此基礎(chǔ)上來設(shè)置剪力墻。同時，現(xiàn)實的布局與設(shè)計操作中，不僅要設(shè)計核心筒，也要科學(xué)地布設(shè)剪力墻，同時，必須切實地參照設(shè)計規(guī)范來把剪力墻設(shè)置于四周部位，這一過程中要確保其均勻性、勻稱性，而且也要確保結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件水平位移、層間位移之比在1.4以下，以此來提升抗扭性能。

4.5優(yōu)化連梁設(shè)計

現(xiàn)實的操作中，必須對連梁進行優(yōu)化設(shè)計，具體包括非抗震設(shè)計、抗震設(shè)計，具體應(yīng)根據(jù)高跨比數(shù)值來決定截面受剪承載力、配筋等，塑性調(diào)幅過程中，應(yīng)參考下面的方法來加以設(shè)計：

第一，連梁剛度的設(shè)計。需要牢固把握好內(nèi)力計算的初始階段，做好對應(yīng)的折減計算。

第二，計算連梁彎矩、剪力組合值內(nèi)力，對這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)、數(shù)值計算以后，再將這些數(shù)據(jù)和折減系數(shù)做乘積。

現(xiàn)實的設(shè)計中無論選擇哪一設(shè)計方法，都必須集中分析連梁的彎矩、剪力設(shè)計值等，這些數(shù)值都要超過使用時期的現(xiàn)實值，而且也要將地震力的破壞作用納入考慮范圍，同時，也必須對連梁鉸接部位加以處理。

4.6底部加強部位的合理設(shè)計

剪力墻設(shè)計中，需要根據(jù)剪力墻的類型來給出科學(xué)的設(shè)計，如果是普通類型的剪力墻，底部加強部位的取值范圍十分關(guān)鍵，應(yīng)達到轉(zhuǎn)換層上方兩層，同時，要在房屋高度的十分之一以下，應(yīng)高出兩層高度值;如果是底部附帶轉(zhuǎn)換層的建筑工程項目，剪力墻底部加強部位的高度則應(yīng)按照兩層高度以上，墻體墻肢整體高度的十分之一，雙方之間的一個最大值來做出合理選擇。需要關(guān)注的是：底部加強設(shè)計中，必須重點照顧到建筑物結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，也要深入分析建筑結(jié)構(gòu)的承載能力。

4.7框支梁的設(shè)計

轉(zhuǎn)換梁支托的頂部結(jié)構(gòu)通常結(jié)構(gòu)不規(guī)則，來自于上方結(jié)構(gòu)的豎向、橫向荷載都使得轉(zhuǎn)換梁截面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力等較大，要想提升轉(zhuǎn)換梁、支托上方結(jié)構(gòu)的牢固度，就要確保轉(zhuǎn)換梁構(gòu)造達到理想的抗剪力、抗彎承載力、剛度延性等。轉(zhuǎn)換梁截面通?？梢杂赊D(zhuǎn)換梁支托的上部結(jié)構(gòu)按照簡支狀態(tài)來算得所傳輸?shù)呢Q向荷載帶來的剪力，可以控制設(shè)計剪壓比在0.07-0.1范圍內(nèi)，以此來科學(xué)地控制轉(zhuǎn)換梁截面，從而達到理想的剛度、強度與延展性要求。

4.8轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計

對于高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)來說，轉(zhuǎn)換層屬于明顯的轉(zhuǎn)折分區(qū)，而且上下樓層的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也各自有分布，下樓層內(nèi)，剪力結(jié)構(gòu)受力一般施加于落地剪力墻，從而使得轉(zhuǎn)換層樓板位置荷載的不均勻分配。所以，應(yīng)根據(jù)剪力墻等效剛度比來科學(xué)分配剪力，從而預(yù)防設(shè)計誤差。

5抗震設(shè)計的優(yōu)化

參照相關(guān)的技術(shù)規(guī)程與相關(guān)規(guī)范，框支剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，此建筑物結(jié)構(gòu)部分，其底部加強部位的剪力墻抗震等級等達到三級，框支框架部分達到二級，由于此項目轉(zhuǎn)換層在三層，框支框架抗震等級則需要提高到一級水平。對此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須確保轉(zhuǎn)換層上端結(jié)構(gòu)的剪力墻剛度性能都達到規(guī)定標準，而且也要適度地控制剪力墻自身重量，確保轉(zhuǎn)換層上方構(gòu)造性能合格，下方剛度性能等達到使用的需求，以此來切實提升剪力墻結(jié)構(gòu)的延展性，具體則要從以下幾大關(guān)鍵點做起：

（1）控制結(jié)構(gòu)自重。優(yōu)選質(zhì)地較輕的隔墻材料，從而控制剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量、尺寸與厚度，保證上方剛度處于合理范圍。

（2）優(yōu)化提升框支梁結(jié)構(gòu)抗扭強度，適度地擴大轉(zhuǎn)換層和相鄰樓板的尺寸、厚度，也要增設(shè)更多的內(nèi)部配筋，保證關(guān)鍵部位可以達到結(jié)構(gòu)性能需求。

（3）擴大剪力墻截面尺寸，從而滿足底部框架剪力墻抗剪剛度合格。

（4）增設(shè)底部的配筋率，從而讓底部構(gòu)造的抗力、延性等都符合相關(guān)的標準。

（5）框支柱上方的剪力墻構(gòu)造，其里面的配筋一定要符合標準，而且要確保連接部位牢固、合格，達到一定的抗震性、延展性。

6結(jié)語

高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，必須維持結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，控制不規(guī)則問題，保證不同部分都能達到安全、牢固的效果，而且達到理想的抗震性能和標準，這就需要科學(xué)掌握設(shè)計理念，提高設(shè)計工作質(zhì)量，從而確保建筑工程結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。

參考文獻

[1]GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（2012版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]李國強.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016版）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[4]李宏男著.結(jié)構(gòu)多維抗震理論[M].科學(xué)出版社，2006.

[5]方鄂華編著.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社，2004.

[6]張維斌.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計問答[M].中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[7]楊慎銀，陳志城.某框支剪力墻高層結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗震性能分析[J].廣東土木與建筑，2019，26（7）：12–17.