高層建筑框支-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略探究

張 穎 肖 帆 武漢名洋建筑設(shè)計(jì)有限公司

1 高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)

為直觀闡述建筑框支-剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段中的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)與問題，以7度區(qū)的某高層建筑工程為例，該建筑轉(zhuǎn)換層分布于地上二層，建筑總體結(jié)構(gòu)由一層地下室、地上底部兩層商業(yè)（商業(yè)裙房比主樓的范圍大,1～2個(gè)柱跨）、地上3～24層住宅共同構(gòu)成，建筑總體高度數(shù)值為78.3m，室內(nèi)外高差為0.3m。

1.1 結(jié)構(gòu)豎向剛度不規(guī)則

該建筑于地上1層區(qū)域中設(shè)置大堂以及地上1、2層設(shè)置商業(yè)區(qū)，大空間設(shè)計(jì)需求，導(dǎo)致較多剪力墻結(jié)構(gòu)無法落地，而地上二層以上為住宅，為了能盡量減少外凸結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件而采用剪力墻結(jié)構(gòu)，故選擇采用框支-剪力墻進(jìn)行轉(zhuǎn)換。豎向抗側(cè)力構(gòu)件出現(xiàn)不連續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。另外，由于層高的變化較大，一、二層層高均為6m，3～24層層高均為3m，存在著豎向構(gòu)件上下剛度突變的問題。為滿足規(guī)范，在這兩個(gè)重大功能要求不好改變的前提下，要通過調(diào)整平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置來解決。

1.2 結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則

該建筑2層以上平面比較規(guī)則，基本對(duì)稱，且局部外凸長度滿足規(guī)范的規(guī)則要求。但是，由于底部的兩層商業(yè)裙房，平面尺寸大于主樓的尺寸，存在上下剛度分布不均勻及重心剛心偏置問題，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移加大，必須通過調(diào)整豎向構(gòu)件的布置來形成一定的抗扭剛度，使結(jié)構(gòu)的位移和位移比，以及結(jié)構(gòu)周期、周期比能控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。另外，大堂及商業(yè)加樓梯的功能要求，平面還存在開洞較多的不利問題。由于結(jié)構(gòu)剛度的需要，必須有一定比例的剪力墻落地。由于底部大空間功能的限制，只能在有限的位置布置落地剪力墻，因此大大增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

2 高層建筑框支剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

2.1 選擇適當(dāng)位置設(shè)置落地剪力墻

在多數(shù)高層建筑工程中，主要存在結(jié)構(gòu)整體剛度、剛度比、抗扭剛度不足的問題。在該高層建筑工程中，首先利用建筑平面的允許位置，例如在上下貫通的樓電梯間處、商鋪的分隔墻處，盡量能多的讓主樓剪力墻落地。保證大分區(qū)，在不影響主要功能的前提下去引導(dǎo)建筑專業(yè)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。落地剪力墻，盡量保證一定的均勻性，質(zhì)心和剛心盡量重合，建筑外圍剪力墻不能太少，否則抗扭剛度很難滿足規(guī)范的要求。

2.2 調(diào)整框支-剪力墻布置方案

在部分高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，存在剪力墻短墻布置比例過高問題，并以此為誘因引發(fā)框支-剪力墻重復(fù)設(shè)置、建筑整體結(jié)構(gòu)抗扭剛度不足等設(shè)計(jì)問題的出現(xiàn)，也會(huì)減少造價(jià)。在合理范圍內(nèi)適當(dāng)減少短肢剪力墻的布置數(shù)量。此外需要注重將長墻長度控制在8m以內(nèi)，優(yōu)先選擇設(shè)置具有良好水平豎向承載力的框支剪力墻體結(jié)構(gòu)、保持合理剪力墻體間隔距離等等。

從剪力墻剪跨比角度來講，雖然部分高層建筑結(jié)構(gòu)中框支剪力墻體的長度超過8m，且在理論層面上仍舊滿足建筑延性破壞要求（剪跨比大于等于2的前提下）。但是如若不同墻肢之間的長度差異過大，也將對(duì)建筑二道抗震結(jié)構(gòu)/防線造成負(fù)面影響，出現(xiàn)多處建筑抗震薄弱環(huán)節(jié)。以該高層建筑為例，如若在結(jié)構(gòu)中設(shè)置過多短肢體剪力墻結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)的抗震性造成負(fù)面影響。因此結(jié)構(gòu)選擇優(yōu)先采取設(shè)置長肢剪力墻結(jié)構(gòu)（墻體長厚比大于8）。

2.3 合理處置大墻肢

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要確保所設(shè)置框支-剪力墻具有良好的延性，從而避免墻體剪切破壞等施工問題的出現(xiàn)概率（將剪力墻結(jié)構(gòu)的高寬比值控制在合理范圍內(nèi)）。而在框支剪力墻結(jié)構(gòu)長度高于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，為保持合理高寬比值，可選擇于框支剪力墻體結(jié)構(gòu)中采取開洞分割處理方式，將墻體分割為多處具有高度獨(dú)立性的墻段結(jié)構(gòu)，從而預(yù)防墻體受彎裂縫施工問題的出現(xiàn)。而在高層建筑結(jié)構(gòu)中存在大墻肢問題時(shí)，需要基于大墻肢結(jié)構(gòu)計(jì)算建筑主體承載力，且同時(shí)采取優(yōu)先分割大墻肢（在建立墻體中預(yù)留施工洞，隨后將大墻肢分割為多處小墻肢）、設(shè)置混凝土墻（設(shè)置配套混凝土墻，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小墻肢配筋性能的優(yōu)化提升）。

2.4 制定適當(dāng)平面結(jié)構(gòu)布置方案

在高層建筑框支-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段中，設(shè)計(jì)人員需要在條件允許范圍內(nèi)，優(yōu)先選擇沿主軸方向或是其他方向?qū)蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)加以多向布置，同時(shí)對(duì)勻稱布置設(shè)計(jì)原則進(jìn)行嚴(yán)格遵循，確保框支-剪力墻的質(zhì)心以及結(jié)構(gòu)剛心做到有效重合。對(duì)這一設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)，也將大幅降低剪力墻結(jié)構(gòu)扭矩問題的出現(xiàn)概率。因此，在框支剪力墻結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，需要將結(jié)構(gòu)側(cè)抗力以及剛度控制在合理范圍以內(nèi)，并對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)置間距進(jìn)行適當(dāng)加大。

3 結(jié)束語

框支-剪力墻作為高層建筑結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成部分之一，與建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗震性等性能息息相關(guān)。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)上述各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略加以靈活應(yīng)用，有效解決豎向構(gòu)件不連續(xù)以及平面布置不均勻等設(shè)計(jì)問題，以提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。