對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用的幾點探討

全國釗

摘 要：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要注重結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向位移，減小樓層剪力系數(shù)，而剪力墻結(jié)構(gòu)可以增強建筑的抗側(cè)向位移，提高結(jié)構(gòu)抗震性。文章主要針對建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和設(shè)計應(yīng)用做簡要分析。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中常見問題

1.1 建筑設(shè)計安全等級存在不足。根據(jù)筆者所知，在各個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計院，從事一線結(jié)構(gòu)設(shè)計人員多是剛畢業(yè)的學(xué)生，他們?nèi)鄙佻F(xiàn)場工作的實際經(jīng)驗，在其設(shè)計時多機械式的套用結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，未積累豐富的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全程度較低。此外，即便設(shè)計人員充分考慮了建筑結(jié)構(gòu)安全與使用的影響因素，但是在結(jié)構(gòu)使用中每個構(gòu)件不可能完全按照設(shè)計時應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行受力，這就造成設(shè)計與實際存在一定的差距，為建筑后期使用埋下安全隱患。

1.2 結(jié)構(gòu)不符合實際受力。根據(jù)筆者多年設(shè)計經(jīng)驗可知，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從理論上評價建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全程度過于保守，安全程度過高；但是若降低房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全系數(shù)則又不滿足規(guī)范的要求，與工程實際情況存在一定的差距。同時，房屋建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性呈動態(tài)分布，隨著時間的積累，結(jié)構(gòu)變形加大，其穩(wěn)定性降低，局部構(gòu)件易出現(xiàn)過大變形。

1.3 結(jié)構(gòu)布置不合理。在建筑結(jié)構(gòu)布置設(shè)計中，一些設(shè)計人員經(jīng)驗不足，易出現(xiàn)以下幾點不足：第一，建筑結(jié)構(gòu)平面平整性較差，不滿足規(guī)則性要求；第二，樓層出現(xiàn)錯層，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)中，若出現(xiàn)樓層錯層現(xiàn)象時，會分割樓層，降低整體結(jié)構(gòu)的抗震性；第三，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用多種結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中存在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)，從而降低結(jié)構(gòu)的整體性，不滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。

1.4 抗震設(shè)計較差。抗震等級較低是我國結(jié)構(gòu)設(shè)計安全保障的主要障礙，尤其是近幾年汶川大地震、青海大地震等給人們帶來無可估量的損失，讓人們深刻意識到建筑結(jié)構(gòu)抗震等級嚴(yán)重不足。盡管國家出臺了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計相關(guān)規(guī)范，并要求：大震不倒、中震可修、小震不壞等具體要求，但一些設(shè)計院仍對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計起不到足夠的重視，這就造成建筑結(jié)構(gòu)抗震強度較低，甚至在小震中發(fā)生坍塌事故。

2 提高墻體抗震特性——剪力墻結(jié)構(gòu)

我國建筑結(jié)構(gòu)的抗震性差，主要是結(jié)構(gòu)側(cè)向抗位移性能較差。而根據(jù)筆者設(shè)計經(jīng)驗可知，剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性。因此，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要重視剪力墻設(shè)計，由于不同類型的剪力的墻截面應(yīng)力分布不同，所以在計算剪力墻的位移和內(nèi)力時，需要采用不同的計算方法。一般在剪力墻的計算時，大多采用有限元方法，此計算方法結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且可以適用于各類剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。但由于有限元計算法劃分的單元比較多，從而使得計算機所需要的時間較長。因此，此計算方法只適用于框肢墻、特殊開洞墻等結(jié)構(gòu)中。

剪力墻具有以下優(yōu)點：它可以承受彎矩、水平剪力、豎向壓力等，且可以在剪力墻上進(jìn)行開洞，若洞口較大時，則結(jié)構(gòu)受力類似于框架結(jié)構(gòu)；同時，剪力墻的承載能力較強、水平向抗剪剛度大，且墻體結(jié)構(gòu)變形較小，適用于墻體表面平整的層高較低的建筑結(jié)構(gòu)中。

3 建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意事項

3.1 剪力墻的數(shù)量合理。由于剪力墻的有固有特性，具有較高的側(cè)向剛度、豎向承載特性，以及良好的抗風(fēng)能力，但是在設(shè)計剪力墻時，其數(shù)量并非越多多好。為了確保建筑結(jié)構(gòu)有效的發(fā)揮剪力墻的優(yōu)勢，需要設(shè)計合適數(shù)量的剪力墻，且剪力墻的位置不可任意布置，應(yīng)根據(jù)需要合理布置。

3.2 優(yōu)化樓層最小剪力系數(shù)。在建筑結(jié)構(gòu)剪力墻設(shè)計中，需適當(dāng)?shù)臏p少墻體結(jié)構(gòu)，若大墻體可以采取在剪力墻中設(shè)置大開間，從而有效地保障墻體側(cè)向剛度滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。同時，需確保樓層間剪力系數(shù)要適當(dāng)，需要結(jié)構(gòu)規(guī)范所允許的范圍內(nèi)，且需減輕剪力墻結(jié)構(gòu)自重，增強側(cè)向剛度。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

4.1 剪力墻結(jié)構(gòu)定位設(shè)計。在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)定位設(shè)計時，需注意以下幾點：第一，對于特殊平面結(jié)構(gòu)，如J角形平面、Y形平面，則需要根據(jù)三條軸線布置剪力墻；第二，對于一般平面結(jié)構(gòu)，如矩形平面、T形平面、L形平面，需要根據(jù)兩條軸線走向合理布置剪力墻；第三，對于對稱平面結(jié)構(gòu)，如圓形平面、正多邊形平面、弧形平面，則需要沿著徑向或環(huán)向布置剪力墻。即在定位剪力墻結(jié)構(gòu)時，應(yīng)遵守對稱、均勻的基本原則，保持剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心相互重合，以有效地減少扭矩。此外，建筑內(nèi)外剪力墻結(jié)構(gòu)需對正、拉通，不得交叉，增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，且其墻肢截面需規(guī)則、簡單，確保剪力墻的抗側(cè)力剛度。此外，為有效提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度和墻體的承載能力，需確保剪力墻之間的間距在一定的范圍內(nèi)，不宜過密。

4.2 合理控制剪力墻結(jié)構(gòu)參數(shù)。為合理設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計規(guī)范的基本要求，需要對剪力墻的側(cè)向剛度比、位移比和周期比等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計。剪力墻的位移比主要是指建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的水平方向位移和樓層平均值的比值。此外，還需要對剪力墻結(jié)構(gòu)自身不規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，避免結(jié)構(gòu)本身出現(xiàn)偏心作用而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)問題。位移比是在剛性樓板的假設(shè)條件下確定建筑結(jié)構(gòu)豎向位移不大于1.2倍。

4.3 剪力墻連梁設(shè)計。在建筑結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)中，若剪力墻結(jié)構(gòu)受水平作用時，其底部的墻肢部位就會發(fā)生扭曲變形，而連梁結(jié)構(gòu)可以平衡結(jié)構(gòu)的水平力，調(diào)整結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并可以一定程度上約束墻肢。所以在連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，要對連梁的高度和剛度進(jìn)行優(yōu)化，從而可以提高結(jié)構(gòu)的抗水平位移，增強結(jié)構(gòu)的抗震性。

4.4 剪力墻連梁超筋的處理。在建筑結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中常出現(xiàn)連梁超筋現(xiàn)象。即剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力不符合墻體結(jié)構(gòu)的剪壓比設(shè)計要求。根據(jù)筆者多年的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，連梁出現(xiàn)超筋的部位主要出現(xiàn)在剪力墻結(jié)構(gòu)總高度的1/3位置；若剪力墻長度較長，則連梁超筋易出現(xiàn)在中部的連梁部位；同時，若剪力墻結(jié)構(gòu)中墻肢高度相差較大，則超筋易出現(xiàn)在墻肢連梁部位。

當(dāng)連梁出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，可采取以下處理措施：第一，降低連梁的截面高度；第二，在剪力墻抗震設(shè)計中，采取塑性調(diào)幅連梁的彎矩和剪力；第三，若結(jié)構(gòu)豎向承載能力不受連梁破壞影響時，可以按照在地震荷載下，連梁不參與結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢可根據(jù)兩次分析中的最大內(nèi)力進(jìn)行配筋分析。

5 結(jié)語

綜上所述，建筑剪力墻結(jié)構(gòu)具有較高的抗側(cè)向位移，較高的水平抗側(cè)向位移，很大程度上可以減小樓層的水平向變形，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計具有推進(jìn)作用。

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