高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

黃治源 廣東中山建筑設(shè)計院股份有限公司

剪力墻結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度大，側(cè)向承載性強(qiáng)，減震性能高等特點，可以有效解決墻體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的難題，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于高層建筑物建設(shè)工程中。然而就當(dāng)前施工技術(shù)來看，剪力墻施工作業(yè)中存在施工困難，材料消耗大等特點，所以對高層剪力墻現(xiàn)有的布局設(shè)置進(jìn)行合理優(yōu)化就尤為關(guān)鍵。在保障高層剪力墻結(jié)構(gòu)符合施工要求的同時，對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化，可以有效加強(qiáng)建筑減震性能進(jìn)行，提升建筑施工質(zhì)量，減少施工成本。

一、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

由于高層住宅的房間面積通常比較小，且分隔墻使用頻繁，使用剪力墻結(jié)構(gòu)可以使建筑外觀統(tǒng)一整齊，有效避免梁柱外漏現(xiàn)象；使室內(nèi)環(huán)境更簡潔，便于裝修。然而結(jié)構(gòu)設(shè)計往往在很多情況下無法做到結(jié)構(gòu)平面布局完全合理，例如建筑平面、立面的要求以及考慮戶主在使用中的舒適等情況，使得在設(shè)計中無法在邊跨做剪力墻、剪力墻間不能建立梁聯(lián)系等諸多影響結(jié)構(gòu)布局的情況，造成施工技術(shù)人員在建模期間需多次調(diào)整計算，在滿足相應(yīng)規(guī)范的條件下找到更合理的結(jié)構(gòu)模型方案。

二、控制剪力墻結(jié)構(gòu)中的鋼材含量

合理控制建筑物剪力墻結(jié)構(gòu)的鋼材含量，可以大幅節(jié)約施工成本，使建筑施工更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。所以在對建筑物的剪力墻布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合建筑物基本特點，對建筑物的剪力墻布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，并通過相關(guān)技術(shù)對設(shè)計方案的可行性進(jìn)行計算，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整改良，在確保結(jié)構(gòu)符合相關(guān)施工要求的同時，有效降低結(jié)構(gòu)鋼材含量，以節(jié)省建設(shè)施工的開銷。

三、工程概況

采用剪力墻結(jié)構(gòu)的某高層小區(qū)建筑，小區(qū)平面尺寸約為25.8 米×24.5 米，地上建筑有18 層，設(shè)計有1 層地下室，標(biāo)準(zhǔn)層高度為3 米，小區(qū)建筑總高度為58 米。同時該小區(qū)擁有三級安全建筑結(jié)構(gòu)，四級抗震剪力墻結(jié)構(gòu)，且屬于7 度抗震設(shè)防強(qiáng)度的地區(qū)工程。該小區(qū)采用樁基礎(chǔ)設(shè)計結(jié)構(gòu)，為Ⅲ類建筑場地（見圖1）。

圖1 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)平面布置圖

四、剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合小區(qū)實際情況，并通過對模型配筋等進(jìn)行具體分析，為了提高高層剪力墻結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)縮短部分較長的剪力墻，然而經(jīng)計算對比原方案發(fā)現(xiàn)柱子配筋率增大，且局部位移比超限。此時應(yīng)及時對施工設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，并對剪力墻布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)力探討。因短肢墻最小配筋率大，經(jīng)濟(jì)性差，首先去除短肢墻；其次，由于超長剪力墻剛度過大，其余的剪力墻承受的剪力就會很小，所以分割超長墻，同時盡量保證墻柱間能有梁拉結(jié)，使結(jié)構(gòu)傳力更合理。重新計算一次，再分析模型中剛心與重心，判斷出平面上部剛度允許降低，然而從結(jié)構(gòu)布局整體進(jìn)行觀察，可以看出原結(jié)構(gòu)頂上六條剪力墻通過平面外的傳力形式抵抗水平方向的外力變形；因建筑立面要求使用大飄窗，故增加水平向的墻長已不可行，此時發(fā)現(xiàn)僅可增加左右兩邊小房間處剪力墻水平向的墻翼長度，通過墻體開洞預(yù)留出窗位，改變結(jié)構(gòu)布置與縮短對應(yīng)剪力墻長度，再復(fù)核模型后，柱子配筋率增大，且局部位移比超限問題得到了解決。此優(yōu)化前后對比，總剪力墻長度縮短了近十米，為優(yōu)化后總剪力墻長度的約15%（見圖2）。

圖2 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)平面布置圖

該優(yōu)化方案結(jié)合小區(qū)具體情況及剪力墻布局結(jié)構(gòu)特點，以設(shè)計均勻連續(xù)且對稱的剪力墻結(jié)構(gòu)為原則，通過增長局部剪力墻墻體及邊緣長度、增加高層剪力墻周圍部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等方式，極大地增強(qiáng)了剪力墻的減震強(qiáng)度和側(cè)向抗風(fēng)剛度。由于部分高層剪力墻存在墻體形狀不平整、承受壓力不平衡、具有較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等現(xiàn)象，因此該方案通過對高層剪力墻周邊部分墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，保證剪力墻結(jié)構(gòu)擁有符合建筑施工要求的承壓能力。不過值得注意的是該方案無法完全發(fā)揮高層剪力墻的結(jié)構(gòu)性能，所以從經(jīng)濟(jì)節(jié)能的角度，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化該剪力墻結(jié)構(gòu)。適當(dāng)弱化剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部墻體，并且保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，可以有效節(jié)約成本。通過縮減內(nèi)置剪力墻長度、去除電梯井筒附近多余墻體的方法，可以使剪力墻布局結(jié)構(gòu)設(shè)計的受力大小更合理，保證高層剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能得到有效發(fā)揮，并且節(jié)約大量剪力墻建設(shè)材料。不過該優(yōu)化方案在一定程度上使高層剪力墻結(jié)構(gòu)剛度變低，因此需要嚴(yán)格控制高層剪力墻結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)符合建筑施工要求。在上述高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，可根據(jù)剪力墻的洞口率、墻體厚度、混凝土等級等相關(guān)參數(shù)對合理改善設(shè)計方案。在盡量不影響高層剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向抗風(fēng)剛度的情況下，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點，適當(dāng)增加剪刀墻的洞口率，可以節(jié)省一定的建筑材料，節(jié)約成本。值得注意的是，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，如果不對洞口率進(jìn)行科學(xué)合理的計算，可能導(dǎo)致高層剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)周期及位移增大，將在一定程度上影響高層剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗風(fēng)剛度，如果高層剪力墻結(jié)構(gòu)的洞口率大于承載負(fù)荷，將大幅降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗風(fēng)剛度，無法保證建筑的穩(wěn)定性。施工單位應(yīng)通過合理降低高層剪力墻結(jié)構(gòu)墻體厚度的方法，來減少結(jié)構(gòu)周期和最大層間位移角，增加剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗風(fēng)剛度，維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。在進(jìn)行高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，須充分考慮以上方案在實際施工中的可實施性，通過科學(xué)合理的計算方法，對高層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，減緩剪力墻結(jié)構(gòu)改變引起的地震剪力變化，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。

五、總結(jié)

文章通過結(jié)合小區(qū)高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例，對高層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計，極大地節(jié)約了建設(shè)成本。但是由于該方案在力學(xué)結(jié)構(gòu)上存在一定缺陷，因此還存在一定的優(yōu)化空間，在后續(xù)優(yōu)化施工中，應(yīng)結(jié)合實際情況對該優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充修改，以保證高層剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。