論高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、    論高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)    周多能【摘要】近幾年來，我國正在向城市化方向發(fā)展，高層建筑行業(yè)也逐漸成為城市建設(shè)事業(yè)中不可或缺的一部分。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠有效的防止樓體受地震等災(zāi)害的影響，有助于加強(qiáng)建筑物的抗震能力、整體性以及側(cè)向剛度，對(duì)建筑事業(yè)的發(fā)展起到了很大的作用。本文以某高層建筑項(xiàng)目為例，就該項(xiàng)目的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)布置和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高建筑抗震性能?！娟P(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)布置；框架與剪力墻；設(shè)計(jì)一、定義及項(xiàng)目概況高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在高層建筑中廣泛使用的一種墻體結(jié)構(gòu)， 這種墻體結(jié)構(gòu)的原料主要

2、是鋼筋混凝土，通過橫向承重板和縱向承重板縱橫交錯(cuò)來達(dá)到增強(qiáng)樓層的承重能力的目的 。某項(xiàng)目建筑面積約30000m2，建筑總高度98.9m，地下室為兩層，地面建筑34層。本工程風(fēng)荷載取值：0.30kn/m 2，建筑高度大于60m時(shí)，承載力設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載計(jì)算按基本風(fēng)壓的1.1倍采用，地面粗糙度b類，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4。二、工程地質(zhì)概況本工程地質(zhì)成因較復(fù)雜，人工土下為沖洪積“硬殼層”，以下為湖沼積淤泥質(zhì)土、黏性土、有機(jī)質(zhì)土及泥炭質(zhì)土，再下為坡積黏性土和殘積層，本場(chǎng)地基巖埋藏不太深，屬寒武系下統(tǒng)筇竹寺組灰?guī)r。甲級(jí)，基礎(chǔ)頂面同底板頂面。電算模型應(yīng)帶地下室，且至少往外擴(kuò)出兩跨，以基礎(chǔ)承臺(tái)面為嵌固端，n ba

3、se=1，進(jìn)行整體計(jì)算分析。土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)：m1=300（應(yīng)使地下室層間位移達(dá)到1/9999）。樁端持力層采用：含粉質(zhì)黏土角礫，樁端進(jìn)入持力層深度1m；強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，樁端進(jìn)入持力層深度1m； 中風(fēng)化粉砂巖，樁端進(jìn)入持力層深度0.5m。三、建筑結(jié)構(gòu)布置在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為使結(jié)構(gòu)單元簡單規(guī)則、對(duì)稱、減少偏心，在方案設(shè)計(jì)階段就與建筑專業(yè)合作，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)選型。在孕育建筑藝術(shù)與建筑功能完美結(jié)合的過程中，結(jié)構(gòu)布置根據(jù)本專業(yè)特點(diǎn)在選型和構(gòu)造上，既做到使結(jié)構(gòu)方案抗震、抗風(fēng)性能好，而且經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的美與建筑形式巧妙組合，使建筑功能美妙流暢，利用結(jié)構(gòu)美強(qiáng)化建筑創(chuàng)意，共同營造出完美的建筑

4、形象。1、框架部分布置框架設(shè)計(jì)成雙向梁柱剛架體系，一向與核心筒連接，另一向由4根柱和兩個(gè)角部剪力墻連接，形成框架一筒體結(jié)構(gòu)體系，使框架和剪力墻共同承擔(dān)縱橫兩個(gè)方向的地震作用和風(fēng)荷載作用?？蚣芰褐S線重合使梁柱處于最佳協(xié)調(diào)工作狀態(tài)，避免了梁柱偏心造成節(jié)點(diǎn)核心區(qū)構(gòu)造和受力的不利影響。由于現(xiàn)有施工工藝的限制，混凝土標(biāo)號(hào)不夠高，本工程只用到c40。這在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常造成大量出現(xiàn)短柱，本工程16層沒有出現(xiàn)短柱，這是本工程的一大優(yōu)點(diǎn)。柱沿高度方向變截面，但上下層柱的軸線沒有改變，既做到柱沿高度變化均勻，又做到上、下承接流暢，沒有偏心。以上是框架結(jié)構(gòu)布置概念的核心部分，經(jīng)過與建筑、設(shè)備等專業(yè)的協(xié)作配合，

5、使得該工程框架部分的效率得以充分發(fā)揮，沒有由于布置上的不整齊、不規(guī)則而產(chǎn)生次應(yīng)力。2、剪力墻部分布置將剪力墻集中布置，形成一核心筒，是充分發(fā)揮剪力墻效率的最佳方法。核心筒的剛度不是核心筒內(nèi)：a.單肢墻；b.聯(lián)肢墻；c.整體小開口墻的剛度的簡單相加。它具有很大的抗側(cè)力剛度，其剛度取決于墻體的分布、連梁的形式、洞口的大小、樓層上板的連接等諸多因素，因此要準(zhǔn)確計(jì)算出核心筒的剛度，則需要借助于計(jì)算機(jī)。核心筒的布置平面分布宜均勻，兩方向墻的剛度接近，連梁適中，單肢墻長度小于8m，縱橫兩方向比例合理，使兩個(gè)方向變形接近。剪力墻的軸線和框架的軸線一致，剪力墻沿高度方向變截面，使剛度均勻變化，上、下層的剪力墻

6、軸線重合，使應(yīng)力傳遞合理。由于剪力墻受力機(jī)理十分復(fù)雜，其變形與傳力的方式受到多方面的影響，如連梁、洞口、樓板等，要使其布置合理化，必須經(jīng)多次計(jì)算，多次調(diào)整方能充分發(fā)揮剪力墻的效率。本工程經(jīng)過多次調(diào)整，使平面及豎向布置較為理想。主要技術(shù)指標(biāo)如下：總重量w=434168kn；標(biāo)準(zhǔn)層形心坐標(biāo)為x=16，65y=16.65；荷載形心坐標(biāo)為x=17.l，y=16.60兩形心距為 e=0.45，e/1=0.45/28.2=1.6%荷載中心與平面中心基本重合，平面形狀規(guī)則，構(gòu)件布置勻稱。四、框架與剪力墻的關(guān)系框架筒體結(jié)構(gòu)體系中，應(yīng)有足夠數(shù)量的剪力墻，它承受的結(jié)構(gòu)底部由地展作用生產(chǎn)的彎矩大于結(jié)構(gòu)底部由地震作用

7、產(chǎn)生的總彎矩的50%。當(dāng)剪力墻的剛度太大，會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度過大，從而加大地震效應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力，同時(shí)使框架也不能充分發(fā)揮作用，降低了結(jié)構(gòu)體系的效率。因此必須使結(jié)構(gòu)剛度特征值2.4>1.15。該大廈計(jì)算成果顯示框架承受12%水平力，剪力墻承受88%水平力。經(jīng)調(diào)整，框架承受20% 水平力，其余水平力由剪力墻承擔(dān)，結(jié)構(gòu)剛度特征值 =1.8?？蚣芡搀w結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的框架各層總剪力按下列方法調(diào)整：vf>0.2v。vf 按計(jì)算值采用； vf<0.2v。的樓層，設(shè)計(jì)時(shí)vf取vmax和0.2v。的較小值；屋面突出部分框架的總剪力取本層框架部分計(jì)算的1.5倍。五、結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果說明計(jì)算得到的前6階模態(tài)

8、振型的振動(dòng)周期結(jié)果列于表1。兩個(gè)程序計(jì)算得到的第一周期、第二周期t1、t2分別為y、x方向的平動(dòng)周期，第三周期t3為扭轉(zhuǎn)第一周期，t3/t1小于規(guī)范的限值0.90，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭能力，符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求。振型曲線符合正常規(guī)律。從表1可見，扭轉(zhuǎn)周期比滿足要求，有效質(zhì)量系數(shù)滿足要求。計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移結(jié)果列于表2，層間位移角以及位移比均滿足要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內(nèi)。六、結(jié)構(gòu)抗震性能綜合評(píng)價(jià)本工程屬超限高層，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了較為合理的結(jié)構(gòu)布置和有效的構(gòu)造措施，從而減小了扭轉(zhuǎn)不規(guī)則帶來的不利影響，使得結(jié)構(gòu)仍具有良好的抗震性能，計(jì)算滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。在考慮基于

9、結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同水準(zhǔn)的地震作用，采用不同的性能目標(biāo)。擬實(shí)現(xiàn)：小型地震，結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求，全部構(gòu)件的抗震承載力和結(jié)構(gòu)層間位移均需滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。中型地震，結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位構(gòu)件（剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)）處于彈性工作狀態(tài)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析時(shí)，允許有些選定的部位接近屈服階段，但不允許發(fā)生剪切等脆性破壞，各構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造滿足中等延性要求。大型地震，結(jié)構(gòu)重要部位的構(gòu)件不屈服，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，允許有些選定部位的構(gòu)件達(dá)到屈服階段，但應(yīng)滿足變形限制要求（樓層的最大層間位移角小于1/200），不發(fā)生剪切等脆性破壞，各構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造滿足高延性要求。從計(jì)算分析結(jié)果上看