高層剪力墻結構設計探討與經濟性優化分析

【摘要】探討剪力墻結構墻體的平面布置，設計基本原則，計算過程應控制的指標，結構的經濟性分析

【關鍵詞】剪力墻結構；平面布置；控制指標；經濟性分析

剪力墻結構作為高層建筑中的主要結構形式，被廣泛運用于現代高層建筑，尤其是高層住宅，筆者結合自己十多年來所做的剪力墻結構設計就此類結構體系的設計做幾點初步的探討。

1、剪力墻結構的特點及合理的平面布置

剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點是整體性好，側向剛度大，水平力作用下側移小，側向變形的特征為彎曲型，由于沒有梁柱等外露與凸出，便于房間內部布置。從結構內力層面分析，剪力墻的整體內力與墻截面尺寸無關，與墻和連梁剛度以及墻體的布置有關。剪力墻中連梁線剛度與墻肢線剛度比越大，連梁的彎矩和剪力越大，相應的剪力墻的彎矩和軸力越小，剪力墻剪力之和與整體剪力相同。短肢剪力墻由于剛度較小，反彎點在層間，因此對地震作用不利。連梁與框架梁要求不同，連梁傳遞水平力為主，小震不壞，大震必壞。剪力墻連梁剛度對墻肢彎矩和軸力的影響圖見下方附圖一。

剪力墻結構中墻體宜沿主軸方向雙向布置，平面布置應盡可能均勻，對稱，盡量使結構的剛度中心和質量中心重合，以減少扭轉效應。墻宜自下而上連續布置，避免剛度突變，門窗洞口宜上下對齊，成列布置，形成明確的墻肢和連梁。墻體的形狀要盡量簡單，以“一”字長墻，“L”和“T”形長墻為主，減少短肢剪力墻（墻肢截面的高厚比5-8）的設置。另外外墻宜盡量全做混凝土墻體，防止外墻開裂滲水；也可以在外墻的剪力墻垛間設構造混凝土墻體，即用低標號混凝土二次澆筑，此墻體內僅設置抗裂鋼筋。

2、剪力墻設計基本原則

結構設計問題歸根結底是材料力學與結構力學的問題，建立合理的力學模型分析結構行為規律是預測結構行為和危機以及采取相應的設計措施的基礎。剪力墻的作用：滿足中荷載強度，滿足大荷載剛度。從變形的角度：剪力墻抗側移能力越大越好；從地震響應的角度：剪力墻越柔越好（T大地震相應小）；從抗震耗能角度：剪力墻截面高厚比控制在合理范圍內，不要太多短肢剪力墻，高厚比太大耗能也不好（墻中間部分沒有從分變形耗能），由連梁連起來的最好；考慮大震的規則性：豎向剛度比和扭矩定性規定：在滿足建筑使用功能的前提下，初步布置盡量規則；考慮溫度應力的剪力墻最大距離控制：盡量不要布置端部。高烈度區考慮地震相應的剛度控制：T越小，地震響應越小；考慮大震的規則性定量計算優化布置；計算確定剪力墻內力：彎矩、扭矩、剪力；根據破壞控制設計內力，最后還要考慮抗震耗能控制邊緣和約束和其他配筋構造要求等。

3、計算過程應控制的指標

1）位移比：《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）3.4.5條規定在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍；

2）周期比：《高規》3.4.5條規定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，A級高度高層建筑不應大于0.9；

3）剛度比：《高規》3.5.2條規定剪力墻結構本層與相鄰上層側向剛度比值不宜小于0.9，此剛度比為考慮層高修正的樓層側向剛度比；

另外《高規》還對軸壓比，剪重比，剛重比等指標做了要求。

4、結構的經濟性分析

一般建設單位對高層住宅的經濟性指標主要是單位面積的鋼筋用量有較高的要求，經過在剪力墻結構設計過程中不斷總結，發現以下措施對剪力墻結構的經濟性指標有較好的影響。

1）合理控制層間位移角：即降低地震效應，控制在1/1100左右，不必刻意追求此指標，關鍵是合理的結構布置；

2）合理設置墻厚：剪力墻的厚度主要由墻體的穩定及軸壓比控制，墻厚越大，邊緣構件及墻體的構造配筋就越大；

3）連梁縱筋不可隨意放大，因連梁是抗剪為主，縱筋放大既浪費鋼又造成結構不安全。

4）墻體的形狀盡量簡單：墻體形狀復雜且墻肢短，邊緣構件就多，剪力墻用鋼量與其單位長度內的邊緣構件所占比例成正比；

5）梁的設置原則：可設可不設的不設，減少梁的數量，有時可以避免因加梁而形成的對連梁的集中荷載及對墻體的平面外彎矩，對于樓板可以適當加大厚度（建筑隔墻下不設梁時，在進行地震效應計算時，墻體荷載可平攤在砌筑墻下的板塊上；在進行樓板計算時，墻體荷載按荷載規范折算）；

6）鋼筋的選用：對于剪力墻暗柱構造邊緣構件鋼筋要選用規范規定的最小值，不隨意放大；約束邊緣構件的箍筋可采用三級鋼，加大鋼筋強度設計值可減少鋼筋用量。

7）基礎為筏基時，筏板厚度取值除滿足規范要求及受力要求，宜使計算配筋絕大部分為構造配筋，剪力墻門洞寬度小于2倍筏板厚度時候，其下可不用設地梁。

小結：

結構工程師在工程中肩負著保證土建工程的“安全、經濟”的責任，要求工程師做結構設計時需從結構布置、構件和材料等因素對結構安全貢獻系統分析。根據分析結果排序，熟練的運用結構基本理論解決結構設計問題。安全控制依賴于結構工程師在結構行為的熟悉的基礎上采用合理的措施，這樣才能做到安全和經濟。而在剪力墻結構設計中，合理的結構平面布置無疑是至關重要的，只有結構的合理布置，才能得到較好的計算指標以及理想的經濟性。

參考文獻：

[1]羅宇.高層剪力墻結構要點探究與分析[J].中國房地產業.2015.11