高層建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.陸河縣建筑設(shè)計(jì)室 廣東陸河 516700；

2.深圳市物業(yè)國際建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣東深圳 518000

摘要：本文主要針對高層建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對剪力墻布置和基礎(chǔ)選型兩方面作了詳細(xì)的闡述和系統(tǒng)的分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

所謂的剪力墻，又稱抗風(fēng)墻、抗震墻或結(jié)構(gòu)墻，是房屋或構(gòu)筑物中主要承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載和豎向荷載的墻體。隨著如今，建筑施工越來越往高層和超高層發(fā)展，剪力墻的施工也隨之得到了廣泛的應(yīng)用。基于此，本文就高層建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 工程概況

某建筑B1#住宅樓：總建筑面積5011平方米，建筑物長44.2米，寬12.0米，房屋總高度為31.2米。本建筑地下一層，層高為3.9米；地上十層，地上一層層高4.2米，以上每層層高均為3.0米。本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；剪力墻抗震等級為二級，建筑物安全等級為二級；場地土類別為II類，最大凍土深度為0.8米，場地土不考慮液化、無濕陷。

2 剪力墻布置

根據(jù)《高規(guī)》中剪力墻布置的基本原則，結(jié)合建筑圖布置剪力墻。

（1）剪力墻宜簡單、規(guī)則，沿兩個(gè)方向雙向布置，兩個(gè)方向的剛度不宜相差太大，以控制扭轉(zhuǎn)的不利影響。

（2）剪力墻不宜過長，較長的剪力墻應(yīng)開設(shè)洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段用弱連梁連接，且墻長不宜大于8米。

（3）先在建筑外墻周圈和樓梯或電梯井筒部位布置剪力墻，門窗洞口宜上下對齊，成列布置，避免形成錯(cuò)洞墻使剪力墻上下傳力不連續(xù)而產(chǎn)生剛度突變。

（4）剪力墻根據(jù)房間布局沿兩個(gè)軸線方向布置成T型、L型、+字形。

（5）剪力墻厚度的確定：剪力墻的底部加強(qiáng)區(qū)的高度取底部兩層（4.2+3.0=7.2m）和墻體總高度的1/10（31.2/10=3.1m）的二者的較大值，故底部加強(qiáng)區(qū)的高度取7.2m。因本工程為二級剪力墻，根據(jù)規(guī)范構(gòu)造要求底部加強(qiáng)部位的厚度取200mm，以上部分取200mm。

（6）通過以上分析，第一次剪力墻布置。并在PKPM中輸入?yún)?shù)建模，進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算得出以下數(shù)據(jù)：

位移比：

最大層間位移角

X方向最大層間位移角：1/1567（1/1000規(guī)范限值）

Y方向最大層間位移角：1/1005（1/1000規(guī)范限值）最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值

X方向最大位移與層平均位移的比值：1.02（1.2規(guī)范限值）

Y方向最大位移與層平均位移的比值：1.28（1.2規(guī)范限值）

X方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.01（1.2規(guī)范限值）

Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.32（1.2規(guī)范限值）

周期比：

結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Ta=0.9238

結(jié)構(gòu)以平動為主的第一自振周期Tb=1.0059

從以上數(shù)據(jù)顯示，《高規(guī)》第3.4.5條規(guī)定最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值，A級高度高層建筑分別不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5，以上數(shù)據(jù)不滿足要求。這說明結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，質(zhì)量與剛度產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)，應(yīng)調(diào)整抗測力結(jié)構(gòu)布置，使其分布均勻。從以上位移角數(shù)值可見，X向最大層間位移角為1/1567<1/1000，這雖然滿足了規(guī)范要求，但比規(guī)范限值1/1000的要求小很多，說明X向剪力墻布置較多、剛度較大，應(yīng)適當(dāng)減少墻體數(shù)量或縮短墻肢長度來削弱其剛度。

驗(yàn)算周期比的目的，主要是為了控制結(jié)構(gòu)在罕遇大震下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。從以上結(jié)果顯示Ta/Tb=0.9238/1.0059=0.91>0.9，周期比不滿足《高規(guī)》第3.4.5的要求，說明結(jié)構(gòu)外圍墻體相對于內(nèi)墻剛度較弱，不能約束結(jié)構(gòu)地震力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形。總的調(diào)整原則是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍墻或梁的剛度，適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)墻和連梁的剛度。從SATWE程序中的結(jié)構(gòu)整體空間震動簡圖的第一振型來看，，X向以平動為主的模擬三維圖形振動時(shí)，在結(jié)構(gòu)右側(cè)上角有部分扭轉(zhuǎn)，說明（1-18）軸處剛度較弱，應(yīng)將此處剪力墻洞口減小或加強(qiáng)連梁。

從軸壓比來看，在地下室（1-9）軸、（1-11）軸與（1-A）軸相交的剪力墻軸壓比為0.63、0.62，大于規(guī)范規(guī)定的0.6的限值。在X向受建筑平立面的的局限，不能加大墻肢長度，只能提高混凝土標(biāo)號或把地下一層墻體的厚度加大。

從SATWE程序中結(jié)果顯示：短肢剪力墻承擔(dān)的底部傾覆力矩與結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的比值為54.9%>50%，不滿足規(guī)范的要求，應(yīng)加大部分墻肢的長度。

經(jīng)過以上分析，重新調(diào)整剪力墻反復(fù)計(jì)算后，X方向最大層間位移角為1/1075，與Y方向1/1056數(shù)值接近，兩個(gè)方向的剛度接近，比較合理。周期比Ta/Tb=0.7362/1.0377=0.70<0.9，以及墻肢的軸壓比均滿足了規(guī)范要求。

剪力墻在結(jié)構(gòu)中布置比較靈活，可調(diào)整性大，從而導(dǎo)致有不同的計(jì)算結(jié)果，剪力墻布置應(yīng)在滿足規(guī)范要求的前提下，最終經(jīng)過位移比、周期比、軸壓比等各項(xiàng)指標(biāo)控制，得出經(jīng)濟(jì)合理的布置方案。

3 基礎(chǔ)選型

3.1 基礎(chǔ)形式的確定

建筑物基礎(chǔ)是整個(gè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它將上部結(jié)構(gòu)傳來的巨大荷載傳遞給地基。高層建筑基礎(chǔ)形式選擇的合理，不但關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全，而且對房屋的造價(jià)、施工工期等有重大影響。因此，在確定基礎(chǔ)形式時(shí)，應(yīng)對上部結(jié)構(gòu)和地質(zhì)勘探資料進(jìn)行認(rèn)真研究，選用合理的基礎(chǔ)方案。

現(xiàn)初步確定基礎(chǔ)持力層為第②層砂質(zhì)粉土與粘質(zhì)粉土互層：褐平均層厚2.63m。地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fak=120kPa。

該建筑物南側(cè)與地下車庫相連，其余三面為天然地面，室外地面標(biāo)高為0.600～-0.100m，地下室室內(nèi)地面的標(biāo)高為-3.600m，現(xiàn)初步確定該建筑物采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底標(biāo)高為-4.70m。根據(jù)地勘資料，該建筑物基礎(chǔ)底位于②層砂質(zhì)粉土與粘質(zhì)粉土互層上，該層土的地基承載力特征值為fak=120kPa。本建筑物為地下一層、地上十層，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定，地基承載力特征值大約需要180kPa，現(xiàn)不滿足要求，這就需要對該層土的地基承載力特征值進(jìn)行修正。在進(jìn)行深度修正時(shí)，可將地下車庫基礎(chǔ)以上的總荷載折算成土重，再以此土重?fù)Q算成若干深度之土。考慮到地下車庫的板頂設(shè)有2m厚的覆土以及地下車庫250mm厚的頂板重量，折算出土的深度為2.34m，最后加上基礎(chǔ)本身的埋深為1.1m，算出修正深度d=3.44m。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到要有一定的安全儲備，最終確定地基承載力作用的基礎(chǔ)埋置深度為2.8m。根據(jù)《地規(guī)》5.2.4的公式，修正后的地基承載力特征值：

fa=120+18×1.5×（2.8-0.5）=182.1kPa>176kPa（筏板板底平均反力），滿足設(shè)計(jì)要求。其次筏形基礎(chǔ)的整體性好，沉降小，調(diào)整地基不均勻沉降的能力強(qiáng)，最終確定該建筑選用筏板基礎(chǔ)。

3.2 筏板類型的確定

筏板基礎(chǔ)又分為平板式筏基和梁板式筏基，其選擇要根據(jù)工程地質(zhì)，上部結(jié)構(gòu)體系、柱距、荷載大小以及施工條件等綜合因素確定。

下面以本工程為例，通過PKPM中的JCCAD結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，結(jié)合以上筏板的構(gòu)造要求，對這兩種基礎(chǔ)形式進(jìn)行分析計(jì)算，選出最優(yōu)方案。

3.2.1 梁板式筏板基礎(chǔ)

（1）《地基規(guī)范》規(guī)定基礎(chǔ)的混凝土等級不應(yīng)低于C30，地下室墻體混凝土的等級經(jīng)計(jì)算確定為C35，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剪力墻的布置在軸線縱橫兩個(gè)方向設(shè)置地基梁，把筏板分隔成不同跨度的雙向或單向板。這種基礎(chǔ)

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