剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

姚永峰

(河南省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 河南 鄭州 450014)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，特別是新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)城市人口不斷增加，為了緩解城市人口壓力，高程建筑應(yīng)運(yùn)而生，甚至出現(xiàn)了超高層建筑。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常都采用剪力墻建筑結(jié)構(gòu)，而如果通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，乃是目前重要的研究課題之一。本研究主要就高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)做了有益的分析與探討，為剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用做出了明確規(guī)定，認(rèn)為高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)全部采用剪力墻結(jié)構(gòu)，如果短肢剪力墻結(jié)構(gòu)較多時(shí)，可布置一般剪力墻或者筒體來(lái)形成斷肢剪力墻和筒體，從而形成一種共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)[1]。而在高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，墻體筒體通常承受的是第一振型底部地震傾覆力矩不超過(guò)結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的1/2。這種情況下剪力墻結(jié)構(gòu)是安全的，屬于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。

但是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能差，且不具有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在實(shí)際工程中，特別是地震帶上的高層建筑不適用。在高層建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使用豎向或水平結(jié)構(gòu)，科學(xué)分布剛度和承載力，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的高度符合要求。在布置上，剪力墻結(jié)構(gòu)不必均為大開(kāi)間剪力墻，有效滿足荷載傳遞要求即可。在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量將剪力墻設(shè)計(jì)為“L”形，這種結(jié)構(gòu)形式有助于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也能滿足側(cè)向剛度。在各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范的條件下，盡量減輕結(jié)構(gòu)自重和減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以盡可能降低工程成本[2]。按照工程經(jīng)驗(yàn)，“T”形和“L”形剪力墻，如果一墻體不符合要求時(shí)，則另一方墻體的墻肢不宜過(guò)短，嚴(yán)格控制在1m，確保墻端暗柱配筋符合要求。

2 剪力墻的概念和結(jié)構(gòu)效能

高層建筑使用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅僅是因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)綜合性特點(diǎn)，但還是由于其具有投資成本低和堅(jiān)韌度高等特點(diǎn)，這兩個(gè)特點(diǎn)是剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的原因[3]。在高層建筑中使用剪力墻結(jié)構(gòu)，可降低工程造價(jià)，與其他結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)勢(shì)較大，特別是與框架結(jié)構(gòu)相比，剪力墻結(jié)構(gòu)的外觀更加美觀。

在高層建筑中利用剪力墻結(jié)構(gòu)，不僅適合建筑結(jié)構(gòu)的整體布局，而且還可滿足建筑物的平面結(jié)構(gòu)。在整體建筑中，剪力墻結(jié)構(gòu)屬于一個(gè)構(gòu)件，抗震效果顯著，且抗風(fēng)、傳導(dǎo)荷載能力等方面均比其他結(jié)構(gòu)要優(yōu)越。

在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，需要剪力墻結(jié)構(gòu)符合建筑整體布局和平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)也是建筑物的“隔離墻”，是整個(gè)建筑中主要承載部分。眾所周知，剪力墻結(jié)構(gòu)具有空間小的特點(diǎn)，因此在使用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，一般而言會(huì)以混凝土結(jié)構(gòu)作為樓層蓋板，這種設(shè)計(jì)不僅能節(jié)約樓高，而且還能提高建筑空間的利用率。

在高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，另外一個(gè)重要原因在于，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能與承載性能良好。不過(guò)，世界上沒(méi)有完美的結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)的不足之處也是顯而易見(jiàn)的，比如空間間距限制大、建筑物設(shè)計(jì)靈敏度和不適用于大型建筑物等。

3 剪力墻的分類及特點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)屬于建立墻體的一種，也就是建筑墻肢截面高度與厚度比值在5~8之間，同時(shí)也是用鋼筋混凝土板替代建筑物承受水平、豎向荷載力的墻體。在上面的論述中已經(jīng)提到，剪力墻結(jié)構(gòu)墻面平整、承重力強(qiáng)、抗側(cè)剛度大，在高層建筑中廣泛應(yīng)用，但是并不意味著其適用于全部建筑結(jié)構(gòu)：第一，剪力墻結(jié)構(gòu)造價(jià)高，工藝復(fù)雜；第二，建筑過(guò)多使用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重受損，影響建筑物的壽命[4]。

另外，在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，還要充分考慮抗震能力，并準(zhǔn)確把握其承受地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)所承受的地震力矩間的比值。嚴(yán)格控制剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量，將減輕力矩控制在15~40范圍以內(nèi)[5]。

當(dāng)前，剪力墻分為四種，而分類的依據(jù)使剪力墻墻體開(kāi)洞與否或開(kāi)洞的大小。

一是實(shí)體墻。它是一種開(kāi)洞或無(wú)開(kāi)洞墻體結(jié)構(gòu)，如果開(kāi)洞，則開(kāi)洞面積＜15%，這種實(shí)體墻為曲型變形，不存在彎點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生突變。

二是小開(kāi)口的剪力墻。開(kāi)洞面積占整個(gè)墻體15%以下的墻體稱之為小開(kāi)口剪力墻，這種剪力墻的受力特點(diǎn)是：連梁處發(fā)生突變的可能性大，但墻體彎矩圖無(wú)彎點(diǎn)。并

三是雙肢或多肢剪力墻。這種剪力墻是指開(kāi)洞面積較大或墻體洞口呈列狀分布的墻體，與整體小開(kāi)口剪力墻的受力特點(diǎn)極其相似。

四是壁式框架剪力墻。這種剪力墻是指墻體開(kāi)洞較大、墻肢線上與墻體連線上剛度比較接近；剪力墻的受力特點(diǎn)與其他結(jié)構(gòu)不同，在彎矩圖處會(huì)出現(xiàn)突變，但是在建筑多數(shù)樓層內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生突變。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置原則

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置時(shí)，需要遵循以下幾個(gè)方面的原則：

一是具體問(wèn)題具體分析原則。在應(yīng)用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)工程的實(shí)際情況運(yùn)用，而不能一味使用剪力墻，通過(guò)實(shí)地考察等，確定剪力墻結(jié)構(gòu)使用的數(shù)量、規(guī)模等，避免過(guò)度使用。

二是安全性原則。在建筑中使用剪力墻結(jié)構(gòu)，要遵循安全原則，使用剪力墻結(jié)構(gòu)后建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)更加牢固和安全。剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)于提升結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要意義，因此需要遵循安全性原則。

三是嚴(yán)格規(guī)范原則。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置是，要遵循嚴(yán)格遵循規(guī)范原則，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定等，提升剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用的實(shí)際效果。

5 工程結(jié)構(gòu)剪力墻部分的優(yōu)化

5.1 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、寬度，均要大于厚度，按照構(gòu)件設(shè)計(jì)要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要使用不同的長(zhǎng)度與厚度。根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)厚度規(guī)定，符合一級(jí)、二級(jí)抗震時(shí)，其厚度超過(guò)20cm，樓層高度≥1/16[6]。而為了保證結(jié)構(gòu)連接，降低墻體厚度，則需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，嚴(yán)格控制墻肢軸壓比例。

5.2 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算

剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算：調(diào)整建筑物層間最小剪力系數(shù)，在不超過(guò)規(guī)定系數(shù)范圍內(nèi)，盡量少使用剪力墻結(jié)構(gòu)，并嚴(yán)格控制層間剪力系數(shù)；二是遵循剪力墻連梁超限調(diào)整原則，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將連梁跨高比值＞2.5，對(duì)于易出現(xiàn)框架梁的部位，可用連梁方式進(jìn)行建設(shè)。

6 剪力墻優(yōu)化及分析對(duì)比

剪力墻結(jié)構(gòu)首先在平面布置中有著很好的應(yīng)用，在平面中應(yīng)用，要遵循對(duì)稱、均勻原則，合理布局墻面結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量重點(diǎn)，減少?gòu)澗豙7]。而在內(nèi)外剪力墻中應(yīng)用，則不應(yīng)采用單項(xiàng)有墻布置形式。

在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格按照級(jí)別和類型分析剪力墻軸壓比，合理選擇邊緣構(gòu)件。同時(shí)，分析剪力墻鋼筋，比如二級(jí)地震建筑使用鋼筋與一級(jí)建筑使用鋼筋不同。另外，這對(duì)于約束邊緣構(gòu)件的處理上，應(yīng)將無(wú)約束邊緣矩形界面劑極限承載力降低40%，從而降低對(duì)墻面穩(wěn)定性的不良影響。

通過(guò)比較分析可知，在建筑中特別是高層建筑中使用剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗震性能提高，建筑性能更加穩(wěn)固。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，提高了建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使建筑可更好發(fā)揮其性能。但是建筑剪力墻結(jié)構(gòu)也存在明顯的不足，就是調(diào)整的靈活性小。為了更好提高建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用，需要根據(jù)工程實(shí)際，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章從建筑剪力墻結(jié)構(gòu)概念、分類、優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和分析比較等方面探討了該命題，認(rèn)為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的建筑剪力墻結(jié)構(gòu)值得在建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

[1]劉劍.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J].技術(shù)與市場(chǎng),2011,05:50+52.

[2]賀海斌,朱學(xué)文.高層剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻抗側(cè)剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2011,09:58-61.

[3]陳耀.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析探討[J].福建建材,2011,04:36-37+39.