探討高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設(shè)計改進方案

張 君

（山西省第二建筑設(shè)計院，山西 長治 046000）

近年來，中國城市建設(shè)的發(fā)展越來越快，城市土地價格逐漸升高，房地產(chǎn)商為了提高自身經(jīng)濟效益，開始逐漸傾向于設(shè)計高層住宅，在提高土地利用率的同時住宅設(shè)計也更具現(xiàn)代人的審美，而在建設(shè)高層住宅過程中，剪力墻的設(shè)計施工是其中必不可少的一環(huán)，剪力墻分為平面剪力墻和筒體剪力墻，因其作用，它在日常中又被稱為抗風墻、抗震墻或結(jié)構(gòu)墻，它在住宅中主要承擔對強風的抵抗、地震作用等引起的水平荷載以及房屋結(jié)構(gòu)自重、可變荷載等引起的豎向荷載的墻體。所以在高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，剪力墻結(jié)構(gòu)的改進方案十分重要。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

在進行高層住宅建設(shè)中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是依靠住宅的設(shè)計要求，選擇適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式，在高層住宅滿足安全性、實用性、牢固性等要求的前提下，進行縱橫兩種受力構(gòu)件的布置，利用適當?shù)耐扑惴椒ǎM行周密籌劃以確定最合適的構(gòu)件截面長度和配筋尺寸。對高層住宅的剪力墻結(jié)構(gòu)來說，在滿足了建筑居住等要求的前提下，如何能設(shè)計出更加完美的結(jié)構(gòu)，也是該行業(yè)和社會面臨的共同問題。另外，高層住宅的設(shè)計方案也不是單一的，設(shè)計出不同方案的同時，又需要在這些設(shè)計方案中探索出一種最優(yōu)方案，既要保證建筑結(jié)構(gòu)的合理性，又要控制建筑成本的經(jīng)濟性。

1.1 剪力墻優(yōu)化

在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中，剪力墻主要是順著主軸或其余方向進行兩個方向鋪排，以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在進行抗震性的設(shè)計中，不應(yīng)該僅僅只沿一個方向安置剪力墻，而是使兩個方向的抗側(cè)剛度接近，以便讓其具有良好的抗震性能。在建設(shè)中，需要減少剪力墻布置，增大使用空間面積，用盡量少的剪力墻布置出盡量大的空間，有利于充分利用剪力墻的承載能力。剪力墻的特點是墻體平面內(nèi)剛度大，負荷力高，但在平面外，它的剛度和負荷力都較小。在這樣的情況下，為了把控剪力墻的平穩(wěn)性，需要控制平面外的剛度，并采取適當?shù)姆椒p少墻面外負荷對剪力墻的壓力。剪力墻的鋪排對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響，所以剪力墻應(yīng)該連貫鋪排，防止高層建筑的剛度突然變化。在進行剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)提前進行整體分析，確定剪力墻的平面布置，使建筑結(jié)構(gòu)各項指標滿足位移比和周期比要求，同時，還要考慮地震等級對高層住宅結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1.2 剪力墻肢優(yōu)化

在剪力墻肢的優(yōu)化中，其布置應(yīng)該更簡單和規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)較平均，剪力墻的門窗洞口需上下一一對應(yīng)，整齊布置，以便形成豎向連續(xù)的墻肢，這樣一來，在面對一些總高度較高的建筑結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用延展性較好且能夠彎曲的剪力墻，提高其抗震性能。除此之外，剪力墻肢中洞口的設(shè)置需要避免剪力墻肢剛度差別過大，如果剪力墻的洞口布置過大，形成短肢剪力墻，甚至成為異形柱框架結(jié)構(gòu)。當面臨較長的剪力墻時，應(yīng)該在墻肢范圍內(nèi)開設(shè)洞口，使其能盡量劃分為長度相近的數(shù)個墻肢，盡可能發(fā)揮出墻肢的承受能力，另外，墻段之間需要使用弱連梁連接，以避免剪力墻產(chǎn)生脆性的破壞［1］。在抗震設(shè)計中，應(yīng)避免形成截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。如果上述小墻肢的比例小于4，此時應(yīng)該按照框架柱設(shè)計，按框架柱加密區(qū)要求全高加密。

2 結(jié)構(gòu)計算優(yōu)化

首先，在進行剪力墻布置時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計方案綜合考量該結(jié)構(gòu)是否合理，剪力墻連梁是否滿足規(guī)范要求，剪力墻軸壓比是否滿足規(guī)范要求等，都是剪力墻的優(yōu)化重點。例如：剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度不能過大，在滿足方案規(guī)定最小剪力系數(shù)的同時，A級高層結(jié)構(gòu)Tt/T1不應(yīng)大于0.9；在探究到有偶發(fā)水平地震力的影響下，樓層剪力墻構(gòu)件水平位移的最大值最好不能大于平均值的6/5，更不應(yīng)該大于平均值的3/2。其次，設(shè)計時應(yīng)符合相鄰樓層側(cè)向剛度變化要求。在為常受地震災(zāi)害影響的建筑設(shè)計最大層間位移時，應(yīng)以層間彎曲變形為主。因此，高層建筑需要限制變形，但又不能僅僅只依據(jù)這些層間位移，而不由分說地直接增加剪力墻構(gòu)件的縱向剛度。在實際中，一些工作者在注意到其中一個方向的層間位移不符合設(shè)計規(guī)范時，就把該方向的側(cè)向剛度不斷地增加，這種行為是不可取的。但如果發(fā)生了這樣的情況，就應(yīng)該及時關(guān)注結(jié)構(gòu)的剪重比，若剪重比滿足規(guī)范要求即可行；若剪重比超限，則應(yīng)該減小對應(yīng)一側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度。

最后，建設(shè)時應(yīng)嚴格遵守最小剪力系數(shù)的建造要求。當剪力墻承載的力矩總和較大時，應(yīng)相應(yīng)減少剪力墻的數(shù)量，擴大剪力墻的布置范圍，使建筑具有均勻的側(cè)向剛度，讓該建筑的最小剪力系數(shù)近乎滿足設(shè)計標準。這樣，既能使結(jié)構(gòu)減輕自身的重量，有效抵抗地震，又能降低成本。在地震災(zāi)害分析中，平面不規(guī)則和抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在地震中受損嚴重。因此，在設(shè)計中，首先要保證結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，避免產(chǎn)生過強的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；另外，建筑本身的抗扭性也必須提升，在實際中，高層建筑中剪力墻的豎向構(gòu)件需要盡量順著建筑結(jié)構(gòu)鋪排，提高建筑的安全程度，增強其抗扭轉(zhuǎn)性。

連梁超限的調(diào)整原則。在具體實施中，規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進行設(shè)計，跨高比小于5的連梁應(yīng)按有關(guān)規(guī)定進行設(shè)計。在建筑結(jié)構(gòu)中，其構(gòu)件一般使用彈性剛度進行具體設(shè)計，但在普遍情況下，市面上采用的剪力墻中連梁剛度較小，荷載的重力與剪切力較大，從而導(dǎo)致配筋安排復(fù)雜。所以，應(yīng)該探尋在不阻礙到其承載豎向壓力的情況下，同意連梁在可控范圍內(nèi)把承擔的力量進行轉(zhuǎn)移。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，連梁應(yīng)該在內(nèi)力估算之前將剛度適當減少；在估算后，將連梁承載的重力與剪切力之和再乘以系數(shù)。但是要注意，連梁改變后的承載力和剪切力都不能低于其設(shè)計的正常極限使用狀態(tài)，以免在使用或遭遇地震時，連梁出現(xiàn)裂縫［2］。

3 結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

剪力墻結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化就是維護剪力墻平面的平整度，讓剪力墻平面的重心和整個建筑剛度的中心盡可能的重合，從而減小扭轉(zhuǎn)變形。其次，在平面布置時要使剪力墻在兩側(cè)都進行鋪排。在進行結(jié)構(gòu)布置設(shè)計時必須盡可能順著中心線對稱，此外，還需要多留意它的抗側(cè)能力，不能使其剛度過高，確保剛度與剪力墻數(shù)量相對應(yīng)，進一步擴大使用面積。

3.1 豎向構(gòu)件的布置

在高層住宅建筑中，剪力墻的鋪排應(yīng)按照鄰近強、中部弱，墻長均勻?qū)ΨQ的原則，使剪力墻按照主軸方向均勻布置，使建筑成為一個更緊密的整體，從而提升其抗扭性。在滿足基本要求的前提下，需要在樓道里、電梯間等較重要地方密集的鋪排剪力墻，在外墻不能開太多的墻洞，轉(zhuǎn)彎等相對較特殊的地方不弄窗戶，內(nèi)墻開洞不應(yīng)出現(xiàn)過多短肢墻，并且，臥室門旁邊的小墻垛不能過小，否則很容易形成一字墻。剪力墻的鋪陳應(yīng)能控制兩主軸的間距，使高層建筑的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合，降低地震發(fā)生時產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用，以使剪力墻的有效利用率得到提高。

結(jié)構(gòu)豎向布置是高層住宅的豎向類型要設(shè)計的原則，為防止建筑有超限的外挑和內(nèi)收，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度的變化需有規(guī)律，避免突變，必須使用較規(guī)整的建筑結(jié)構(gòu)。就剪力墻而言，剪力墻墻厚上層厚度不應(yīng)大于下層厚度，開設(shè)的洞口需上下結(jié)構(gòu)對齊，盡量避免出現(xiàn)錯洞墻、疊合錯洞墻，防止產(chǎn)生豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連貫和錯層的情況，從而導(dǎo)致薄弱部位產(chǎn)生損壞，進而破壞整個高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。所以，增強傳力途徑的準確性，能有效提升高層建筑的安全性，使結(jié)構(gòu)受力方式更加清晰，其造價也相對較少［3］。

3.2 水平構(gòu)件的布置

水平構(gòu)件鋪排分為梁、板構(gòu)件布置。梁、板構(gòu)件在鋪設(shè)時，最先需要保證傳力適宜，不能出現(xiàn)樓面荷載多次傳遞，另外是使高層住宅空間需要布置合理，最后才是控制含鋼量，降低建筑成本。

3.3 基礎(chǔ)類型布置

基礎(chǔ)類型的鋪排是剪力墻結(jié)構(gòu)按照基礎(chǔ)層數(shù)、地基承載力和土層有無軟弱下臥層等條件進行具體規(guī)劃的。一般來說，地基負荷力較高時，層數(shù)較少的剪力墻結(jié)構(gòu)，允許使用筏板基礎(chǔ)；地基負荷力較小時，也能使用樁筏基礎(chǔ)。若住宅建筑層數(shù)在20層以上，這時，筏板基礎(chǔ)就會難以負荷其承受的重力，在這種情況下就應(yīng)該改為使用樁筏基礎(chǔ)。另外，平板式筏板基礎(chǔ)厚度應(yīng)按照結(jié)構(gòu)層數(shù)和剪力墻間距進行具體測算，首先工作人員需要驗算，在此基礎(chǔ)上，再相應(yīng)對筏板承載力和變形程度進行控制。在測算其厚度時，每增加一層，板厚增加5cm，按設(shè)計規(guī)定平板式筏板的厚度必須處于40cm及以上，根據(jù)這樣的規(guī)律再來進行比較分析會更加真實可信。但是，如果剪力墻間距較小，按照上述經(jīng)驗初估筏板的厚度就會偏大。筏板基礎(chǔ)的計算中，應(yīng)該更加關(guān)注基床系數(shù)的有效運用，如果基床系數(shù)較小就會使筏板配筋增大，產(chǎn)生浪費；若它較大則又會使筏板配筋不足，產(chǎn)生安全問題。所以，在基礎(chǔ)籌算中，根據(jù)地基土土層特性，估算出適當?shù)南禂?shù)更是結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化的主要部分。從整體來看，基礎(chǔ)設(shè)計不是一個簡單的過程，設(shè)計人員應(yīng)從多個方面綜合探討，以便確定最佳設(shè)計方案。

4 結(jié)語

中國經(jīng)濟正處于飛速增長階段，城市化進度越來越快的同時也促進了越來越多的人口涌入城市，隨之而來的是人們對于建筑行業(yè)的要求逐漸升高，相關(guān)企業(yè)必須重視這一現(xiàn)象，加快建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，更好的滿足消費者對高層住宅的需求，而剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑工程中擁有舉重若輕的地位，所以要根據(jù)建筑工程的實際情況，對剪力墻進行優(yōu)化設(shè)計、合理改進，確保剪力墻結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的同時，又能滿足消費者的要求，推動相關(guān)建筑企業(yè)科學(xué)發(fā)展。