淺談高層建筑中剪力墻的優(yōu)化設計

1、    淺談高層建筑中剪力墻的優(yōu)化設計    王殿元 白雪松摘要：本文主要從經(jīng)濟含鋼量以及計算方法等方面入手，分析了高層建筑中剪力墻的優(yōu)化設計方法，以求能夠安全、經(jīng)濟、合理、科學的進行高層建筑設計，對相關工作人員有一定的借鑒作用。關鍵詞：高層建筑優(yōu)化設計剪力墻結(jié)構(gòu)1 前言隨著我國城市化腳步的不斷加快，城市高層建筑越來越多，剪力墻結(jié)構(gòu)因用鋼量少、整體性強、剛度大等優(yōu)點而得到設計者的親睞，被廣泛用于分間較多的高層建筑中，其墻體大多是將承重墻與隔墻合為一體的剪力墻，這使得結(jié)構(gòu)設計經(jīng)濟性較好。除此之外，剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑可以避免漏柱、漏梁等情況的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)外形美觀

2、性較好，室內(nèi)布置也比較容易。但剪力墻結(jié)構(gòu)在應用時存在以下缺點：剪力墻大多按照構(gòu)造要求進行配筋，較低的配筋率使得墻體具有較低的延性性能；正常使用狀態(tài)下各墻肢所受的軸向壓力不大，使得各墻肢的承載能力不能得到有效的發(fā)揮；混凝土澆注而成的剪力墻其自重較大，使得結(jié)構(gòu)受到較大的地震力作用；剪力墻的抗側(cè)剛度較大，受到的地震作用也較大，這就使得在建筑的上部結(jié)構(gòu)和基礎上資金投入較大。為此，如何進行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設計，使剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點得到充分的發(fā)揮、工程總體造價得到降低，成為設計人員關心的問題。本文作者結(jié)合自己多年從事高層建筑設計的工作經(jīng)驗，探討了剪力墻優(yōu)化設計的方法。2 合理控制構(gòu)件的含鋼量隨著我國城市化

3、腳步的加快以及建筑技術(shù)的發(fā)展，城市高層建筑也越來越多，剪力墻結(jié)構(gòu)因其自身的優(yōu)勢而得到廣泛的應用。為了使高層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑具有較好的經(jīng)濟性，就需要科學、合理的控制構(gòu)件的含鋼量。為此，應當結(jié)合實際情況并嚴格按照國家規(guī)范的要求進行高層剪力墻結(jié)構(gòu)設計與計算，對結(jié)構(gòu)設計不斷的優(yōu)化改造，以求在保障高層建筑安全的同時獲得良好的經(jīng)濟效果。作者結(jié)合多年從事剪力墻結(jié)構(gòu)設計與施工的經(jīng)驗，總結(jié)出合理的剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)濟含鋼量如表1所示，依據(jù)此表進行剪力墻構(gòu)件的設計可以獲得良好的經(jīng)濟效果。表1 經(jīng)濟含鋼量統(tǒng)計3 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案在進行高層建筑剪力墻設計時，有很多種設計方案可以選擇，這時就需要在保證高層建筑結(jié)構(gòu)安全可靠

4、的前提下，科學、合理的進行結(jié)構(gòu)形式的選擇，以求盡可能的降低工程總體造價。特別是在進行設計方案選擇與結(jié)構(gòu)初步設計時，結(jié)合實際情況選用合理的結(jié)構(gòu)體系，選擇適合高層建筑的材料、確定構(gòu)件的經(jīng)濟截面形式與尺寸，這樣能夠在一定程度上降低高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的總體造價?？茖W、合理的結(jié)構(gòu)體系有助于從建筑結(jié)構(gòu)總體進行造價控制，依據(jù)高層建筑使用情況的不同來選用構(gòu)件截面形式，可以有效的避免浪費情況的發(fā)生。因此，可以說在進行結(jié)構(gòu)方案選擇時，結(jié)構(gòu)形式的不同將直接影響建筑結(jié)構(gòu)成本。對于層數(shù)不多的高層住宅建筑可優(yōu)先考慮選擇短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。住宅建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)小于20層的，如果使用傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，因剪力墻結(jié)構(gòu)的各墻肢因?qū)嶋H受

5、到的軸向壓力遠小于結(jié)構(gòu)計算的壓力，各墻肢又大多是按照規(guī)范構(gòu)造要求進行配筋，這就會使各墻肢不能有效的發(fā)揮出其承載能力；此時若使用短肢剪力強結(jié)構(gòu)體系則可以有效的解決此問題。在抗震設防為7度的地區(qū)，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)不大于20的選用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，可以保證水平地震剪力、周期、頂點位移等均滿足相應規(guī)范的要求。合理的進行短肢剪力墻的設計，可以使用磚墻來替換某些混凝土墻，這樣能夠有效的降低建筑結(jié)構(gòu)的自重和抗側(cè)剛度，這么做降低了結(jié)構(gòu)所受的地震作用，建筑整體成本得到有效控制。除此之外，高層建筑結(jié)構(gòu)的延性性能得到改善，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到提升。高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)中可以使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來替代其上部結(jié)構(gòu)。

6、在高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，為了能夠有效的減緩沿樓高剛度的變化，相比于片面加大底部結(jié)構(gòu)剛度的辦法，使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)不僅能夠減小結(jié)構(gòu)剛度而且有著較好的經(jīng)濟效益。若高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)大于20時，應當優(yōu)先選用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。高層建筑層數(shù)過多的情況下繼續(xù)使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，可能會使建筑結(jié)構(gòu)的剛度不能滿足規(guī)范要求，層間位移以及結(jié)構(gòu)的頂點位移將大于規(guī)范的限值，計算得出的底部剪力系數(shù)也會偏低，這就會降低高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性。在使用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土剪力墻的高層建筑結(jié)構(gòu)時，有時會遇到高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度偏大，此時可以考慮在原有墻肢上開一些空洞，也可以磚砌結(jié)構(gòu)來替代高層建筑的某些構(gòu)件，采取這些措施進行調(diào)整可以

7、使現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)滿足使用要求。4 其他優(yōu)化措施分析4.1 轉(zhuǎn)換層的優(yōu)化設計隨著時代的發(fā)展，高層建筑使用功能也呈現(xiàn)出多樣化，建筑的上下部結(jié)構(gòu)有著不同的使用功能。為此，就需要結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的使用功能來確定結(jié)構(gòu)布置形式，因而就需要在一定高度處設置轉(zhuǎn)換層。底部為大空間的剪力墻結(jié)構(gòu)進行高位轉(zhuǎn)換時比較復雜，在設計時要格外注意。由于轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量和剛度比較大，在進行高位轉(zhuǎn)換設計時需要對轉(zhuǎn)換層以及其上下層的剛度進行調(diào)整，使其不出現(xiàn)較大的突變；轉(zhuǎn)換層自身的質(zhì)量和剛度也應控制在合理范圍內(nèi)，不能過大；高層建筑在水平外力作用下，通過精確的空間分析對轉(zhuǎn)換層及上下部分的層間位移角的均勻性進行檢查。高層建筑的轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式應

8、盡可能選用重量和剛度較小的形式，抗震設計時盡可能的多選振型數(shù)。在對結(jié)構(gòu)進行計算分析時，檢查結(jié)構(gòu)是否存在薄弱部位，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配情況進行研究，通過改變配筋以及調(diào)整內(nèi)力以提高薄弱部位的承載能力。4.2 連梁的優(yōu)化設計在進行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁設計時，對于高跨比小于2.5和大于2.5情況，規(guī)范從構(gòu)件配筋以及截面受剪承載力兩方面提出要求。采用塑性調(diào)幅法進行分析時，主要有以下兩種方法：一種是在內(nèi)力計算之前對連梁的剛度進行折減；另外一種是在內(nèi)力組合完以后在對組合內(nèi)力進行折減。無論使用哪種方法都應當保證連梁經(jīng)過調(diào)整后的剪力以及彎矩設計值，大于構(gòu)件正常使用階段的實際值，同時應當大于提高一度設防烈度后，經(jīng)

9、內(nèi)力組合得到的彎矩值。對連梁進行優(yōu)化設計以后，可以使其在較小地震作用或者在正常使用情況下，構(gòu)件不出現(xiàn)裂縫，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性。4.3 加強區(qū)的優(yōu)化設計在進行高層建筑剪力墻設計時，可以取高層剪力墻結(jié)構(gòu)底部兩層高度和嵌固部位以上墻肢總高度的1/8中的較大值作為底部加強區(qū)的高度；對于高層建筑底部設有轉(zhuǎn)換層的，可以取墻肢總高度的1/8和框支層及其以上2層中的較大值作為底部加強區(qū)的高度。若高層建筑的嵌固部位包括地下室頂板時，受到地震作用后，地上樓層以及地下1層將可能出現(xiàn)屈服，在這種情況下不可以降低地下1層的抗震等級，與此同時應當將地下1層納入底部加強區(qū)范圍內(nèi)，并依據(jù)規(guī)范的要求進行約束邊緣構(gòu)件的設置。5 結(jié)語在進行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)體系設計時，應當合理控制剪力墻構(gòu)件的含鋼量，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，以求在保證結(jié)構(gòu)正常使用的前提下降低建筑結(jié)構(gòu)的總體造價，進而使其同時滿足經(jīng)濟性和安全性的要求。參考文獻：1徐民彥. 高層建筑抗震設計時剪力墻連梁的作用j. 科技信息，2011（11）：34-352李桂萍. 淺談高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設計要點j. 科學之友，2011（12）：