基于綠色建筑的高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孔慶秋

(廣州市建工設(shè)計院有限公司 廣州 510000)

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,越來越多現(xiàn)代化技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)中,項目設(shè)計、原材料、施工方法都發(fā)生了較大改變。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,建筑行業(yè)要朝著綠色化、節(jié)能化方向發(fā)展,解決資源短缺和過度消耗的窘境。其中,剪力墻的優(yōu)化設(shè)計成為了建筑時關(guān)注的重點內(nèi)容,一方面可以降低材料用量,另一方面也可提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,和綠色建筑理念相符。因此,對綠色建筑理念下的高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計展開分析具有重要意義。

1 綠色建筑和剪力墻結(jié)構(gòu)概述

1.1 綠色建筑的概念

綠色建筑,就是在全生命周期內(nèi),在保證項目質(zhì)量與安全的前提下,使用綠色材料和施工技術(shù),減少不必要的資源浪費與能源消耗,避免對生態(tài)環(huán)境帶來破壞,同時實現(xiàn)土地、水電等各方面資源節(jié)約,降低污染,實現(xiàn)人與自然的和諧相處。綠色建筑的可靠性、穩(wěn)定性更為突出,使用壽命長,可以將環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會的建設(shè)理念貫徹落實到位［1］。

1.2 剪力墻的概念

從本質(zhì)上來看,剪力墻結(jié)構(gòu)就是鋼筋混凝土墻板結(jié)構(gòu),強(qiáng)度和穩(wěn)定性都有所保障,因此目前在建工程中得到了廣泛應(yīng)用,可以有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)梁柱的框架結(jié)構(gòu),在高層建筑中的優(yōu)勢更為突出,可承受更多荷載內(nèi)力,控制結(jié)構(gòu)水平力。剪力墻結(jié)構(gòu)的特點主要表現(xiàn)在這幾個方面:墻體的肢長和厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出承載能力,剛度平面小,會受到剪力、彎距等作用。在自然災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū),將剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用到高層建筑施工中,既能夠控制能源消耗,滿足非彈性變形的重復(fù)效應(yīng),又能夠提升建筑剛度,其價值可得到充分展現(xiàn)［2］。

2 剪力墻的分類與設(shè)計原則

2.1 剪力墻的分類

2.1.1 實體墻

墻體開洞面積小于整體面積的15%,就是實體墻,這種類型的墻體在高度變形之后會呈彎曲狀態(tài),線形的應(yīng)力分布是其主要受力特點。

2.1.2 整體小開口剪力墻

墻體開洞面積在15%以上,但是面積仍然不大的,就屬于小開口整體墻,沒有反彎點,受力應(yīng)當(dāng)考慮彎矩大小。

2.1.3 雙肢或多肢剪力墻

這種墻體的開洞面積比較大,或是洞口數(shù)量多,呈分裂排開狀態(tài)。其受力形式和整體小開口剪力墻大致相同。

2.1.4 壁式框架

是開洞最大、反彎點眾多的剪力墻結(jié)構(gòu)類型。

2.2 剪力墻設(shè)計的原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計最基本的原則,就是高安全性、高質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)性,不能影響建筑本身的強(qiáng)度,以最小的收益創(chuàng)造出最大價值。安裝位置、位移限值都是要重點關(guān)注的內(nèi)容,同時控制好剪力墻的數(shù)量、高度以及相關(guān)構(gòu)件,即便是在地震或其他惡劣地質(zhì)災(zāi)害的影響下,其傾覆力矩和總彎矩之間的比例仍然要符合要求［3］。

2.2.1 樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則

在剪力墻設(shè)計的過程中,應(yīng)當(dāng)注意剪力墻的數(shù)目分布,對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,比如提升其橫向剛度,調(diào)整層間剪力系數(shù)等。這樣做的主要目的在于,讓結(jié)構(gòu)整體自重更輕,不僅有助于實現(xiàn)成本目標(biāo),還可抵御地震以及其他地質(zhì)災(zāi)害的影響［4］。

2.2.2 樓層層間最大位移與層高比的調(diào)整原則

樓層之間的跨度、層與層之間的高度比,都是剪力墻設(shè)計應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點,可以準(zhǔn)確計算出地震發(fā)生時建筑可能出現(xiàn)的位移,以及位移的確切范圍,讓設(shè)計人員了解到如何優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)與規(guī)格,才能夠讓建筑墻體成為整體,抵御彎曲變形。垂直構(gòu)件的數(shù)量,和剪切變形控制之間有著十分密切的聯(lián)系,但是這并不代表構(gòu)件數(shù)量越多越好,而是應(yīng)當(dāng)按照設(shè)計圖紙上的相關(guān)要求,布置在合理的位置,盡可能減少其扭轉(zhuǎn)變形量,以滿足層間位移的控制要求。從這個角度來看,在高層建筑剪力墻優(yōu)化設(shè)計方面,應(yīng)當(dāng)充分重視垂直構(gòu)件的剛度,避免產(chǎn)生過大的位移量［5］。

2.2.3 剪力墻連梁超限的調(diào)整原則

如果剪力墻的跨高比在2.5以下,那么彎矩和剪力可能會達(dá)到極限值,為了保證建筑工程的強(qiáng)度,這一數(shù)值要確保在2.5以上。如果跨度在5～6之間,應(yīng)當(dāng)現(xiàn)場拆除連續(xù)墻,減少剛度,這既是優(yōu)化設(shè)計的要求,同時也有助于降低成本投入,實現(xiàn)效益最大化。

3 基于綠色建筑的高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)建筑高度越高,其底部需要承受的壓力就越大,過渡層質(zhì)量也會相應(yīng)的增加,對轉(zhuǎn)換層和剛度上下比進(jìn)行調(diào)整,是需要關(guān)注的重點內(nèi)容。為了提升項目建設(shè)質(zhì)量,轉(zhuǎn)換層的剛度與質(zhì)量不能過大,在水平力的作用下,利用專業(yè)儀器設(shè)備進(jìn)行空間分析,確保其層間位移角符合要求即可;(2)在選擇過渡層結(jié)構(gòu)的剛度與重量時,可計算出其振動模態(tài)的數(shù)目;(3)安排專業(yè)人員對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)展開全方位分析,查看是否存在薄弱點,掌握具體的內(nèi)力分布特點,調(diào)整構(gòu)件位置,針對性的做好結(jié)構(gòu)加強(qiáng)工作［6］。

3.2 確保剪力墻剛度符合要求

隨著我國建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,相關(guān)政策也越來越完善,高層建筑施工過程中,剪力墻截面一定要符合參數(shù)規(guī)范,獨立的矩形墻肢的截面高度要在截面寬度的五倍以上。為了防止出現(xiàn)剛度、強(qiáng)度等方面的設(shè)計缺陷,通常會采用合并洞口的方式,或是根據(jù)實際情況來適當(dāng)調(diào)整剪力墻的結(jié)構(gòu),將墻肢設(shè)計在靠近墻體的位置,用鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理,讓剪力墻處于良好的受力狀態(tài)。剪力墻的延性也是需要關(guān)注的重點內(nèi)容,可有效避免脆性的剪切破壞。此外,高層建筑對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求會更高,為了防止地質(zhì)災(zāi)害和極端氣候的影響,可通過提升剪力墻厚度滿足建筑地點的地震預(yù)防需求,比如想要預(yù)防八級地震,剪力墻結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就要達(dá)到二級。當(dāng)其厚度符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時,墻體偏心荷載不會出現(xiàn)偏移,而且平面剛度有所保障。

3.3 優(yōu)化連梁設(shè)計

建筑行業(yè)對剪力墻連梁設(shè)計也有著明確規(guī)定,高跨比在2.5以下、2.5以上的,其承載力、加固、配筋等方面的規(guī)定有一定區(qū)別。為了確保剪力墻參數(shù)符合要求,有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)充分意識到連梁設(shè)計的重要性,采用合理的手段進(jìn)行塑性調(diào)整。在計算內(nèi)力的過程中,先對梁的剛度進(jìn)行折減,同時結(jié)合梁彎矩、剪力值、折減系數(shù)等參數(shù)。

3.4 剪力墻底部加強(qiáng)

高層建筑的自重非常夸張,如果僅僅依靠剪力墻的承載力,顯然無法滿足項目的支撐要求,強(qiáng)度和穩(wěn)定性會大受影響。為了解決這一問題,提升剪力墻的承重能力,就成為了設(shè)計人員需要關(guān)注的重點,過去一段時間內(nèi),在墻體底部設(shè)置加強(qiáng)墻,是比較理想的方式。但是這種處理手段,會改變墻體的受力結(jié)構(gòu),某種程度上來看,會給項目埋下一定的安全質(zhì)量隱患。因此,應(yīng)當(dāng)在原有方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新,采用全新的設(shè)計優(yōu)化方式。對于一般的剪力墻結(jié)構(gòu),如果沒有特殊要求,加強(qiáng)墻的高度控制在總高度的八分之一為宜,不可過高,以高度參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行計算,得到墻體厚度的具體數(shù)值。剪力墻結(jié)構(gòu)本身具有一定的特殊性,可以在其底部增設(shè)部分特殊結(jié)構(gòu),優(yōu)化邊緣部件,做好底部固定工作。

3.5 較多的使用一般剪力墻

普通的剪力墻,是優(yōu)化高層建筑剪力墻的重要手段,能夠有效控制短肢剪力墻與小墻肢的數(shù)量,結(jié)構(gòu)的豎向、水平向剛度、承載力都需要合理分布。“L”型、“T”型剪力墻的應(yīng)用比較普遍,主要是因為可以提升結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

3.6 剪力墻開洞的處理

除了需要考慮到建筑工程的功能性需求來設(shè)置門窗洞之外,還要考慮到設(shè)計方案與工程結(jié)構(gòu)特點,適當(dāng)調(diào)整開洞的位置與大小。整片的剪力墻,其長度應(yīng)該在設(shè)計圖紙的合理范圍內(nèi),開洞之后用弱連梁進(jìn)行連接。剪力墻的長度與剛度之間呈正向關(guān)系,長度越大,表明其剛度也就越高,吸收到地震力也就更大。如果在這個時候建筑主體的墻體受到損傷,高層建筑的抗震性能將會大受影響,無法保證住戶安全。因此,每一片區(qū)域的剪力墻長度不應(yīng)過長,注意分散布置,均勻承受地震的作用力。

4 實際案例研究

4.1 項目介紹

某市某工程項目總用地面積5 829 m2,總建筑面積13 512 m2,為八層住宅結(jié)構(gòu),配備地下停車場、商業(yè)網(wǎng)點、社區(qū)辦公用房等配套設(shè)施。(1)優(yōu)化計劃。建立了優(yōu)化模型并明確標(biāo)注了相關(guān)參數(shù),包括混凝土容量、基本風(fēng)壓、連梁剛度折減系數(shù)等;(2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。通過調(diào)查該項目的實際情況,可以了解到結(jié)構(gòu)布置方面還有多處需要調(diào)整的地方,比如結(jié)構(gòu)自重不足、走廊、衛(wèi)生間、廚房等樓板厚度太厚,小墻肢比較多,不僅強(qiáng)度難以滿足要求,還會帶來不必要的成本浪費。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)如下:修正門窗、提升墻體利用率、減少鋼筋、節(jié)約混凝土用量等。

4.2 初步優(yōu)化設(shè)計

要積極響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)生調(diào)整時,應(yīng)當(dāng)考慮到其他關(guān)聯(lián)變量,注意不同變量變化之后,對建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、排碳量以及抗震性能之間的關(guān)系,通常需要進(jìn)行反復(fù)的試驗,才能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。就高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)來看,需要在分析以及校核的同時,進(jìn)行綜合和優(yōu)先選擇,確定好剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量與分布形式后,應(yīng)當(dāng)將碳排放量控制在最低水平,以實現(xiàn)綠色建筑發(fā)展目標(biāo)。

4.3 二次優(yōu)化設(shè)計

對高層建筑工程項目的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次優(yōu)化,應(yīng)當(dāng)注重剪力墻布置的形式以及數(shù)量要求。本項目優(yōu)化初期,構(gòu)建了相應(yīng)的模型,原模型剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量與布置形式不變的基礎(chǔ)上,改變了其厚度,在模型中設(shè)置了300 mm、250 mm、220 mm、200 mm 厚度的墻體。通過計算可以了解到,當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)厚度變小時,其剛度和碳排放量也隨之減少,抗震性能以及整體的強(qiáng)度,仍然能夠滿足工程要求。不難看出,即便固定剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量和布置方式,也并不代表沒有優(yōu)化的空間,這可以給設(shè)計人員提供全新思路。在明確的范圍內(nèi),可以適當(dāng)降低剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度,讓抗震指標(biāo)達(dá)到預(yù)先設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn),可利用計算機(jī)軟件構(gòu)建模型,并持續(xù)對其進(jìn)行優(yōu)化,在本項目中,使用了厚度為200 mm 的剪力墻結(jié)構(gòu),C30和C40混凝土,碳排放量也有明顯降低。

5 結(jié)語

總而言之,我國建筑行業(yè)目前正朝著高層化、綠色環(huán)保化的方向發(fā)展,在大趨勢下,建筑結(jié)構(gòu)自重更輕、適用的材料對環(huán)境無毒無害,強(qiáng)度與穩(wěn)定性更為突出,剪力墻結(jié)構(gòu)有著極為廣闊的發(fā)展前景。在優(yōu)化設(shè)計的過程中,設(shè)計人員要前往現(xiàn)場進(jìn)行全面考察,分析地質(zhì)、地形、自然環(huán)境等情況,針對薄弱處展開設(shè)計優(yōu)化,提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能與承重性能,降低不必要的材料與資源浪費,讓剪力墻的作用得到最大化展現(xiàn),推動我國建筑行業(yè)的穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展。