高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙體棟 申紀(jì)偉

(重慶三峽學(xué)院，重慶 404000)

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高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙體棟 申紀(jì)偉

(重慶三峽學(xué)院，重慶 404000)

基于剪力墻結(jié)構(gòu)布置應(yīng)遵循的原則，探討了某高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并分析了控制建筑結(jié)構(gòu)成本的方法，旨在使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、適用的目標(biāo)。

剪力墻，結(jié)構(gòu)布置，經(jīng)濟(jì)性，結(jié)構(gòu)計(jì)算

0 引言

在高層住宅的各類結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻結(jié)構(gòu)由于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最好，而成為高層住宅中最主要的結(jié)構(gòu)形式。鑒于該結(jié)構(gòu)形式量大面廣，而開(kāi)發(fā)商更加注重成本的控制，因此，怎樣用最少的資源設(shè)計(jì)出既符合建筑使用要求又能保證安全的結(jié)構(gòu)成為每位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須考慮的問(wèn)題。

剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性由梁、板、剪力墻的布置決定。樓屋蓋主要承受豎向荷載，同時(shí)肩負(fù)著傳遞水平荷載的作用。如果剪力墻的間距過(guò)大，勢(shì)必增大樓屋蓋的負(fù)擔(dān)，影響水平力向剪力墻的傳遞。因此，剪力墻的間距受到了限制，相應(yīng)也限制了梁的靈活布置。所以，剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性主要取決于剪力墻的合理布置。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)布置

剪力墻結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)遵循的原則：剛度適中，平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，豎向剛度變化均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對(duì)齊，剪力墻的長(zhǎng)度適中。詳細(xì)的措施如下：

1)結(jié)構(gòu)布置盡可能的對(duì)稱。結(jié)構(gòu)的對(duì)稱與否與建筑的平面布置息息相關(guān)，對(duì)稱的建筑很容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱布置，而不對(duì)稱的建筑平面布置，如平面形式為曲線形、折線形、T形、L形等高層住宅建筑，則應(yīng)力求實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱，這主要取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員結(jié)合建筑的平面布置和使用要求精心的進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，具體方法為：通過(guò)調(diào)整電梯剪力墻筒體和剪力墻的布置，使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心盡可能的接近，從而減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置，必然兩側(cè)的剛度不等，在水平側(cè)向力的作用下，剛度大的一側(cè)變形小，剛度小的一側(cè)變形大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)進(jìn)一步削弱了結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)移的能力。

2)同一主軸方向各片剪力墻的剛度宜均勻。同一主軸方向各片剪力墻的抗側(cè)剛度盡量均勻，避免在某個(gè)部位設(shè)置過(guò)長(zhǎng)的剪力墻。如果個(gè)別墻肢過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，較長(zhǎng)的墻肢由于其剛度較大，會(huì)吸收較多的地震能量，應(yīng)力集中現(xiàn)象特別突出，很容易首先發(fā)生破壞，進(jìn)而引起與其相連的其他墻肢的破壞，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。同一主軸方向各片剪力墻的剛度均勻，在水平力作用下剪力墻的應(yīng)力分布均勻，剪力墻的延性要求更容易實(shí)現(xiàn)。

3)盡量避免設(shè)計(jì)成一字形剪力墻。一字形剪力墻由于沒(méi)有翼墻的約束，平面外剛度很小，承受平面外的力時(shí)，很容易喪失穩(wěn)定，因此，剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量避免設(shè)置一字形剪力墻。在布置剪力墻時(shí)，為了符合建筑設(shè)計(jì)的要求，必須設(shè)置一字形剪力墻，則一字形短肢剪力墻應(yīng)采取比帶翼墻短肢剪力墻更嚴(yán)格的抗震措施(軸壓比限值再降0.1)。

4)負(fù)荷面積相同的剪力墻軸壓比宜接近。在豎向荷載作用下，負(fù)荷面積相同的剪力墻其軸壓比應(yīng)接近。為了控制成本，應(yīng)使各墻肢的軸壓比接近JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(簡(jiǎn)稱高規(guī))的限值規(guī)定。軸壓比相差較大，柱的變形相差較大，為了保持變形的一致，必須通過(guò)剪力墻連梁或者框架梁來(lái)調(diào)整，勢(shì)必增大梁的配筋，給來(lái)的配筋帶來(lái)一定困難。

5)結(jié)構(gòu)沿豎剛度均勻分布。底部的剪力墻承受的壓力最大，為了滿足軸壓比的要求，底部應(yīng)設(shè)置較厚的剪力墻，而上部剪力墻承受的壓力小，剪力墻的厚度相對(duì)小一些，而且，剪力墻的厚度宜均勻變化，否則，在厚度突變處，產(chǎn)生應(yīng)力集中，首先遭受破壞。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 結(jié)構(gòu)試算

一般可先根據(jù)建筑的布置，初步確定建立幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的組裝；計(jì)算時(shí)可先不考慮地震作用，查看剪力墻單獨(dú)在豎向荷載作用下的軸壓比情況，要求各墻肢的軸壓比應(yīng)當(dāng)均勻；否則，應(yīng)采取調(diào)整剪力墻墻肢長(zhǎng)度、厚度及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的二次分析，其結(jié)構(gòu)應(yīng)符合《高規(guī)》中關(guān)于層間位移、周期比、位移比等反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)的要求。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算二次調(diào)整

若周期比、位移比不滿足《高規(guī)》的要求，則應(yīng)采取下列措施：1)增大結(jié)構(gòu)外圍剪力墻的剛度，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)整體的扭轉(zhuǎn)剛度；2)減小結(jié)構(gòu)中部剪力墻的數(shù)量或者改變中部剪力墻的布置，使得結(jié)構(gòu)的平動(dòng)周期增大，進(jìn)而間接達(dá)到減小周期比、位移比的要求；3)查看結(jié)構(gòu)的空間振型圖，找到位移相對(duì)比較大的位置，并在該位置布設(shè)剪力墻，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算使其層間位移、周期比、位移比等指標(biāo)符合規(guī)范的要求。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算中典型問(wèn)題的處理

1)連梁超筋。連梁主要承受水平荷載，豎向荷載一般不起控制作用。在水平荷載作用下，連梁經(jīng)常出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，采用增大截面法的措施效果不好，應(yīng)降低連梁剛度，進(jìn)而減小地震作用，具體可采取下列措施：加寬洞口，增大梁的跨高比；降低梁高；容許開(kāi)裂，對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減。

2)為了避免設(shè)計(jì)成短肢剪力墻，對(duì)于厚度為200 mm的剪力墻，墻體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成1 600 mm～1 700 mm就不合適，若必須設(shè)計(jì)成短肢剪力墻，那么短肢剪力墻所占的份額不應(yīng)太大。

3)避免樓面梁與剪力墻平面外相交。剪力墻平面外剛度及承載力較小，如必須設(shè)置與剪力墻平面外相交的樓面梁，則應(yīng)在墻體的相應(yīng)位置設(shè)置暗柱、扶壁柱或者沿梁長(zhǎng)方面設(shè)置剪力墻。

3 控制建筑結(jié)構(gòu)成本的方法

3.1 填充墻采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料

填充墻采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，一方面可以減輕梁的負(fù)擔(dān)，減少梁的配筋量；另一方面，結(jié)構(gòu)總體剛度降低，承受的地震作用減少，基礎(chǔ)造價(jià)降低。剪力墻邊緣構(gòu)件、梁、板采用高強(qiáng)鋼筋，可以減少鋼筋用量，降低工程總造價(jià)。

3.2 精細(xì)的荷載計(jì)算

在結(jié)構(gòu)的荷載計(jì)算過(guò)程中，墻體的荷載計(jì)算出入最大，其原因主要是關(guān)于門窗洞口的荷載折減多少的問(wèn)題，折減的太多可能不安全，折減的太少，墻體荷載偏大，梁的配筋較多，不經(jīng)濟(jì)。因此，墻體的荷載計(jì)算應(yīng)當(dāng)精細(xì)，可以根據(jù)洞口面積與墻體總面積的比值的大小進(jìn)行折減，當(dāng)洞口面積所占比例較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)另外考慮窗體的自重。

3.3 精細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算與合理的結(jié)構(gòu)布置

1)當(dāng)剪力墻僅考慮豎向荷載作用下，各墻肢的軸壓比盡量接近；2)墻體厚度較大時(shí)，連梁或者框架梁的寬度可以不與梁同寬；3)沿豎向剪力墻厚度變化宜均勻；4)在確保結(jié)構(gòu)具有足夠的承受豎向及水平向荷載能力時(shí)，剪力墻之間的間距盡量拉大；5)各墻肢之間應(yīng)由框架梁或連梁鏈接，避免出現(xiàn)懸臂墻肢；6)層間位移角接近《高規(guī)》中的限值。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某工程地上18層，地下1層，本工程總建筑面積10 374.57 m2，建筑高度54.4 m，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖詳見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04 。場(chǎng)地類別Ⅰ1類，設(shè)計(jì)地震分組第一組，特征周期為0.25 s。墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)：基礎(chǔ)頂面-9.000 m混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,9.000 m以上混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。梁板中的受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，分布鋼筋采用HPB300荷載按規(guī)范取值，墻體采用燒結(jié)頁(yè)巖空心磚。

4.2 工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本工程按照上述原則進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，混凝土用量為0.221 m3/m2，對(duì)于一個(gè)高度為54.4 m的A級(jí)高度的建筑，其混凝土用量經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。梁、板、墻體中的鋼筋用量見(jiàn)表1。

表1 工程鋼筋用量 kg/m2

4.3 經(jīng)濟(jì)性分析

針對(duì)本工程，剪力墻鋼筋用量最大，其次是梁和板，從表格中各構(gòu)件的用鋼量可以看出，對(duì)于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，總共鋼量中剪力墻鋼筋用量所占份額最大，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注意剪力墻的布置問(wèn)題，另外，根據(jù)電算結(jié)果進(jìn)行配筋時(shí)也不應(yīng)隨意增大配筋。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化并不是按照相關(guān)規(guī)范的下限進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而是應(yīng)該最大程度的發(fā)揮材料性能。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件不能準(zhǔn)確分析的關(guān)鍵部位以及影響結(jié)構(gòu)性能的重點(diǎn)部位，應(yīng)用其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行補(bǔ)充分析或者對(duì)于重要部位從概念上予以加強(qiáng)。

在建筑設(shè)計(jì)的初步階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)與建筑設(shè)計(jì)師就剪力墻的布置多做溝通與協(xié)調(diào)，以避免由于建筑方案所造成的嚴(yán)重不規(guī)則。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)專業(yè)，比如，建筑、電器、暖通、給排水等，因此，務(wù)必注意各個(gè)專業(yè)的協(xié)調(diào)與溝通。結(jié)構(gòu)布置的好壞，直接關(guān)系到房屋建設(shè)成本的高低，一個(gè)好的結(jié)構(gòu)布置及后期的精心設(shè)計(jì)就會(huì)形成一個(gè)比較優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案，從而得到安全、適用、經(jīng)濟(jì)的目的。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 蔣 宇.淺談剪力墻結(jié)構(gòu)中墻體布置與經(jīng)濟(jì)性[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011,41(S2)：46-48.

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[4] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010:6-8.

[5] 馮中偉,劉宜豐.高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010,40(9)：124-127.

The optimization design of high-rise residential shear wall structure

Zhao Tidong Shen Jiwei

(Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000, China)

Based on the principles of shear wall structure layout should follow, this paper discussed the optimization design scheme of a high-rise shear wall structure, and analyzed the methods control of building structures cost, in order to make the building structures design to achieve the safety, economy, applicable target.

shear wall, structure layout, economy, structure calculation

1009-6825(2016)34-0054-03

2016-09-23

趙體棟(1986- )，男，助教

TU973

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