高層建筑剪力墻的優(yōu)化設(shè)計研究

王振濤 梅利芳

摘要：指出了高層建筑在設(shè)計階段，往往會存在結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置不合理的地方，在建筑完工后會存在一定的安全問題，并且竣工的實際費用與施工前的預(yù)算費用有一定的差別，因此在前期結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。使得剪力墻布置方案更加合理，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力更加明確，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的作用。根據(jù)剪力墻設(shè)計的影響因素，從剪力墻墻肢的長短、剪力墻的數(shù)量以及剪力墻的厚度方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出了在剪力墻優(yōu)化設(shè)計的過程中該因素對高層剪力墻設(shè)計具體的影響結(jié)果，為剪力墻優(yōu)化設(shè)計提供具體的優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：剪力墻;SATWE分析;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TU973

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1674-9944（2020）14-0218-02

1?引言

改革開放以來，我國的經(jīng)濟(jì)取得了快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速率越來越快，然而隨著我國城市人口的逐漸增多，城市面積不足的問題日益凸顯，為了解決這一問題，城市的建筑不得不由低層向高層發(fā)展。在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，剪力墻的設(shè)計對整體結(jié)構(gòu)的影響因素比較大，因此剪力墻的優(yōu)化設(shè)計也是高層建筑設(shè)計過程中的關(guān)鍵所在。

2?剪力墻結(jié)構(gòu)的概述

在國內(nèi)高層建筑的定義有著不同的標(biāo)準(zhǔn)，美國標(biāo)準(zhǔn)定義：高度超過24.6 m或者建筑的層數(shù)達(dá)到7層以上的建筑就是高層建筑;日本對高層建筑的定義：建筑高度超過31 m或者建筑的層數(shù)達(dá)到8層以上的建筑就是高層建筑;而我國認(rèn)為建筑高度超過28 m或者建筑層數(shù)在10層以及10層以上的建筑就是高層建筑。高層建筑結(jié)構(gòu)主要分為框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及框筒結(jié)構(gòu)等。在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻又稱為結(jié)構(gòu)墻和承重墻等，在結(jié)構(gòu)中主要承受來自于水平方向的地震力和風(fēng)荷載以及豎直方向的荷載，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生受彎破壞和受剪破壞。

剪力墻的類型可以根據(jù)其高厚比進(jìn)行分類，當(dāng)剪力墻的高厚比5≤hw/bw≤8時，此時的剪力墻稱為短肢剪力墻;當(dāng)厚度比hw/bw>8時，此時的剪力墻稱為普通剪力墻;當(dāng)厚度比2≤hw/bw≤4時，此時剪力墻稱為異形柱，異形柱主要應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)中。剪力墻的分類也可以根據(jù)剪力墻上洞口的大小進(jìn)行分類，可以分為整體截面墻、整體小開口墻、聯(lián)肢墻和錯洞墻等。整體截面墻的墻體上沒有洞口或者洞口的面積很小不足于對剪力墻造成影響;剪力墻上洞口的面積很小，所占墻體的面積大于15%小于30%，此時的剪力墻被稱為整體小開口墻;當(dāng)剪力墻上的洞口不是均勻?qū)ΨQ，而是上下錯洞布置的，此時的剪力墻被稱為錯洞剪力墻。

3?剪力墻受力分析

在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)常見的是整體截面墻，墻體在水平方向的外力作用下發(fā)生彎曲變形，彎曲變形引起的位移為um（y）。整體截面墻在外力均布荷載下的受力簡圖如圖1所示。

剪力墻的受力可以看作在均布荷載q下一端固定一端自由的桿件結(jié)構(gòu)，可以得出在桿件端部位置彎矩的大小M=qH2/2，根據(jù)單位力法計算原理，在單位力F=1作用下，在任意位置處墻體在外力作用下的所引起的位移um（y）。

式（1）中：Mp（y）為均布荷載q作用下的彎矩，M1（y）為單位力作用下的彎矩。

由式（1）計算得出：

式（2）中：E是彈性模量，I是截面慣性矩，EI為抗彎剛度。

4?剪力墻優(yōu)化設(shè)計措施介紹

本文以位于鄭州市惠濟(jì)區(qū)的融創(chuàng)瀚海5#樓為研究對象，根據(jù)建筑圖布置幾種不同的剪力墻布置圖，根據(jù)幾種不同的剪力墻結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計算分析得出剪力墻的幾個影響因素。方案一是在建筑圖的基礎(chǔ)上沒有考慮墻體的數(shù)量和墻肢的長短，在隔墻位置處布置上了剪力墻;方案二綜合考慮了剪力墻的數(shù)量、墻肢的長度以及連梁的跨度這些因素布置了剪力墻。然后利用STAWE對兩種不同的方案進(jìn)行計算分析，得出剪力墻的數(shù)量、墻肢長度以及厚度對結(jié)構(gòu)有怎樣的影響。

4.1?方案一、二周期對比分析

根據(jù)模型的計算結(jié)果，方案一和方案二的周期對比圖如圖2所示。

從對比圖中可以看出：方案一的周期大于方案二的周期，可以得出在相同的外力作用下，方案二的剛度大于方案一的剛度。從剪力墻變化的角度去分析，方案一相比于方案二剪力墻的變化是剪力墻的墻肢變短，局部有T型截面轉(zhuǎn)變?yōu)長型截面。根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定：“結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的第一振型周期與平動的第一振型周期之比應(yīng)小于0.9”。因此，在剪力墻優(yōu)化設(shè)計的過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的這個計算參數(shù)不滿足要求的時候，可以通過修改剪力墻的數(shù)量以及剪力墻墻肢的長短來滿足計算結(jié)果的要求。

4.2?方案一、二層間位移、層間位移角對比分析

樓層的層間位移在外力的作用下，每層位移的相對值，也直接的反應(yīng)了樓層剛度大小，兩方案的層間位移計算對比圖如圖3所示。

在地震力的作用下，方案一的層間位移大于方案二的層間位移，根據(jù)層間位移的原理可以得出方案一的樓層剛度小于方案二的樓層剛度，因此可以得出剪力墻結(jié)構(gòu)的布置圖中剪力墻的數(shù)量以及墻肢的長短會對樓層的層間位移產(chǎn)生影響。層間位移角的定義：樓層的層間位移與樓層層高比值的大小就是層間位移角。《抗規(guī)》規(guī)定：“剪力墻結(jié)構(gòu)中樓層的最大層間位移為1/1000，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，當(dāng)樓層的某一層的任何一個節(jié)點處的層間位移角不足的時就說明了在該節(jié)點處結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度過小，導(dǎo)致層間位移角不滿足規(guī)范要求”，因此在不影響建筑使用功能的前提下，通過改變剪力墻的墻肢長度或者剪力墻的數(shù)量來增大該節(jié)點處的剛度，使得結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范要求。

4.3?方案一、二內(nèi)力對比分析

根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定：A級高度的高層建筑中樓層的受剪承載力不宜小于上一層的80%，不應(yīng)小于上一層的65%，B級高度中樓層的受剪承載力不宜小于相鄰上一層的75%，并且結(jié)構(gòu)的受剪承載力無突變。方案一和方案二的受剪承載力計算對比如圖4所示。

從圖4中可以看出：樓層一的受剪承載力大于方案二的受剪承載力，根據(jù)樓層受剪承載力的定義可知，受剪承載力主要是判別樓的薄弱層，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生受剪破壞，因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，當(dāng)樓層的受剪承載力不足時，可以通過調(diào)整剪力墻的數(shù)量或者剪力墻墻肢的長度來使得樓層的受剪承載力滿足規(guī)范要求。

在另一個方面內(nèi)力傾覆力矩的對比分析中，優(yōu)化后方案二的傾覆力矩比未經(jīng)過優(yōu)化方案一的傾覆力矩小，根據(jù)傾覆力矩的定義可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建尺寸一樣時，傾覆力矩越大，所配置的鋼筋量也越大，所以經(jīng)過優(yōu)化后的方案二比方案一的配筋小，也符合結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的“經(jīng)濟(jì)性”原則。

5?結(jié)語

未來，城市中的高層建筑結(jié)構(gòu)會越來越多，因此高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計在城市發(fā)展的道路上起著至關(guān)重要的作用，然而在優(yōu)化結(jié)構(gòu)的過程中，完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計既是對自己的要求，也是對社會的負(fù)責(zé)。

通過上述幾個方面的對比分析圖中可以得出，在高層剪力墻優(yōu)化設(shè)計的過程，剪力墻數(shù)量的減少、剪力墻墻肢的減短都會使結(jié)構(gòu)的振型周期變大，結(jié)構(gòu)的層間位移以及層間位移角也會受到剪力墻數(shù)量以及墻肢長短的影響，具體的影響是：當(dāng)剪力墻的數(shù)量減少或則剪力墻墻肢的長度減短時，樓層的層間位移以及層間位移角都會增大，反之會較小。在內(nèi)力方面的指標(biāo)，剪力墻的數(shù)量和墻肢的長短會對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力造成一定的影響。因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求或者不是最優(yōu)時，就可以通過調(diào)整剪力墻的數(shù)量或者剪力墻墻肢的長度來完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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