高層建筑剪力墻結構設計分析探討

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摘要：本文主要是結合某剪力墻結構高層住宅工程案例，對高層建筑剪力墻結構的概念設計、結構布置原則以及剪力墻結構的設計和計算分析進行了分析探討。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻結構

高層建筑能夠節約城市土地，縮短公用設施和市政管網的開發周期，從而減少市政投資，加快城市建設。其中高層建筑剪力墻結構在住宅建筑中占有很大比例。因此，做好建筑工程剪力墻結構設計的工作十分重要。

一、剪力墻結構概念設計、結構布置原則

在結構設計中，為了做到安全和經濟，剪力墻結構的側向剛度不宜過大，可將其樓層層間最大位移與層高之比控制在1/1100～1/1300之間。剪力墻平面上分布要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質心盡量接近，以減小扭轉效應，必要時通過改變墻肢長度和連梁高度調整剛心位置。住宅建筑中往往會有很多短肢剪力墻，應結合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼緣長度大于其厚度的3倍。一字型剪力墻抗震性能較差，應盡量避免。振動臺模擬地震試驗結果表明，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結構的抗震薄弱環節。對這些薄弱環節，應加強概念設計和抗震構造措施。

（1）當有扭轉效應，會加劇建筑平面外邊緣及角點處的墻肢已有的翹曲變形，使其首先開裂；在水平地震作用下，高層短肢剪力墻結構以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢承受較大的豎向荷載，破壞嚴重，尤其一字形小墻肢破壞最嚴重。為了盡量消除扭轉不規則，可增加建筑物周邊墻肢長度或連梁高度，這樣能明顯增大結構的抗扭剛度。另外，應增大這些部位墻肢縱筋和箍筋的配筋率，加強邊緣構件配筋，嚴格控制軸壓比，以提高墻肢的承載力和延性。

（2）在短肢剪力墻結構中，由于墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁。因此，在計算時，對跨高比不小于5 的梁應按框架梁考慮，連梁的剛度折減系數也不宜太小。

二、剪力墻結構計算方面的優化

在設計剪力墻結構時，應根據規范要求綜合考察結構是否合理，如剪力墻結構的剛度不宜過大，在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規范的基礎上，以規范規定的樓層最小剪力系數為目標，使計算結果無限接近規范值。

（1）樓層最小剪力系數的調整原則。在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩不超過50%的前提下，盡可能減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置方案為目標，使結構具有適宜的側向剛度，使樓層最小剪力系數接近（不小于）規范限值。這樣能夠減輕結構自重，有效減小地震作用的輸入，同時降低工程造價。

（2）樓層最大層間最大位移與層高之比的調整原則。對于高層建筑應盡可能扭轉變形最小，但又不能僅根據這些層間位移不夠不加分析地增加豎向構件的剛度。在實際工程設計中，有些設計人員一看到某一方向層間位移不能滿足規范要求，就不斷地增加該項的側向剛度。此舉雖然可以解決問題，但應該注意此時結構的剪重比：若與規范限制接近則可行；若剪重比已經較大，則不應一味地增加，也要學會減小對應一側的結構剛度，使其剪重比減小。地震作用減小，同樣可以達到較好的效果。

（3）結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（周期比）的調整原則。震害表明，平面不規則、質量與剛度偏心、抗扭剛度太弱的結構，在震中破壞嚴重。在設計時，要保證結構的抗扭剛度不能太弱：首先要限制結構平面的不規則性，避免產生較大的扭轉效應，扭轉效應的計算應考慮偶然偏心的影響；其次是限制結構的抗扭剛度不能太弱，具體表現在Tt/T1指標上。在實際工程設計中，應將結構豎向構件盡可能沿周邊布置，以提高結構的側向剛度和抗扭剛度。若在結構的形心附近加大豎向構件剛度，則只是對側向剛度的貢獻大，對抗扭剛度來說，貢獻甚微。

三、工程實例

（1）工程概況 某高層住宅建筑共25層，標準層高度為3.0m，建筑總高度為76.5m。抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組為第一組，基本風壓0.60kN/m2，場地類別Ⅱ類，抗震等級：剪力墻四級，混凝土強度等級為C40～C25，鋼筋強度等級：剪力墻、柱、梁采用HRB400。

（2）結構布置 原結構標準層剪力墻布置見圖1，采用剪力墻結構，墻肢底部加強部位寬300mm，以上寬200mm。通過分析SATWE計算結果發現該結構設計剪力墻利用率較低，底層墻肢軸壓比在0.30～0.40之間，結構位移比較好，且結構周期、位移角較小，整體偏剛。針對該工程特點，并分析其存在的主要問題，對其結構布置及墻肢長度進行適當的調整，以達到優化的目的，調整后剪力墻平面布置見圖2。

圖1 方案一（優化前）剪力墻布置圖

圖2 方案二（優化后）剪力墻布置圖

（3）計算指標分析（見表1）從表1中可以看出，原結構剛度偏大，層間位移角偏小，優化后結構剛度適中、分布均勻，周期及位移角有所增加，均在合理范圍內，通過調整能使結構吸收的地震力大大降低。優化后位移比略有增加，但亦小于規范限制。對于結構布置及墻肢長度的調整，底層軸壓比有所增加，控制在0.50以下，充分發揮了剪力墻承載力高、剛度大的優點。同時，短肢剪力墻承擔的地震傾覆力矩仍控制在40%以下。綜上所述：方案一與方案二在技術標準上都是合格的，但方案二明顯要優于方案一，同時方案二的成本也低于方案一。

四、結語

在實際工程設計時，設計階段在項目成本控制中起著決定性的作用，而現階段由于設計單位設計項目多，設計人員繁忙，多數項目的設計存在著優化空間。優化設計是建設方的追求，也是設計方的追求，在建筑領域應用優化設計，不僅可行，而且十分符合節約能源，保護環境的可持續發展觀。在結構設計過程中，不僅要滿足建筑的使用功能的要求，而且要使結構體系更加合理。在剪力墻結構的選型和布置時，需要充分考慮到建筑功能、結構受力、設備使用、經濟合理等方面的問題，以實現建筑結構的合理化目標。

參考文獻：

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