高层住宅建筑剪力墙结构的设计与分析

康恒

摘要:随着我国城市化、现代化进程地不断加快,高层建筑俨然成为城市建筑的主流形态,在高层建筑结构设计上,剪力墙作为一个成熟的结构形式,其结构和形式呈现出多样化,本文依据剪力墙结构计算原理结合工程实例就高层住宅剪力墙结构的设计与分析谈几点看法。

关键词:高层建筑剪力墙设计

中图分类号:TU8 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(c)-0028-02

1 剪力墙的常见类型

(1)从剪力墙的开洞率及对其自身的受力特性影响进行划分,可以将单片剪力墙划分为如表1所示的几种类型。

(2)从墙体的高宽比进行划分,通常分为高剪力墙和低矮剪力墙。

(3)从竖缝及配筋的存在方式进行划分,通常分为普通配筋、交叉配筋和带暗支撑剪力墙。

(4)在实际的工程结构设计中,最为常用的两种结构形式如图1所示。

2 剪力墙结构的布置

在结构设计中,由实际的工程经验,对于剪力墙的布置应注意以下几个方面。

(1)从布置方式上来看,剪力墙沿主轴方向或其他方向比较适合以双向或多向的方式进行科学的布置,并使两个方向的刚度尽量接近,对于不同方向的剪力墙应该分别进行有效的联结,通过科学的布置,借助于拉通、对直的作用,有效地保证剪力墙达到最好的空间工作性能。

(2)在布置的顺序上来看,剪力墙最好是自下而上进行连续地布置,实践证明如此布置能够有效地避免出现不良的刚度突变。

(3)从结构刚度要求上来看,在具体的设计上,沿高度的方向应允许在合理的范围内改变墙的厚度和混凝土的强度等级,或是减少部分墙肢,目的在于确保侧向的刚度沿着高度保持连续地、逐渐地变小。如若剪力墙沿着高度是非连续变化的,势必将引起建筑结构沿着高度出现不连续的刚度,存在着刚性突变问题,对抗震结构不利。

(4)如果在实际中遇到剪力墙的长度比较长的情况,在设计上通常各个墙段之间凭借弱连梁进行有效的连接,将其等效地分为若干独立墙段,如图2所示。

(5)从剪力墙洞口的布置角度来看,大量实践经验表明,开洞方式之间影响着剪力墙的力学性能。在剪力墙的门窗洞口开洞方式上,为了保证剪力墙良好的物理力学性能,洞口上下对齐、规则、成列地进行布置,能形成明确的墙肢和连梁,其应力有着非常规则的分布,与当下普遍应用的计算简图符合度非常高,设计能够达到很高的安全性能。

当然,在实际工程中也有些不规则开洞的剪力墙如图3所示,其中3-1为错洞剪力墙;3-2、3-3为叠合错洞墙。从剪力墙的物理力学性能来看,不规则的开洞形式是不利的结构抗震的,实在无法避免应注意以下两点。

(1)剪力墙底部加强部位是塑性铰出现及保证剪力墙安全的关键部位,对于一、二、三级抗震等级剪力墙的底部加强部位不宜使用错洞墙,如无法避免使用错洞墙时,错开洞口水平之间的距离应确保≥2000mm(如图3中的3-1所示),设计时应综合多种因素仔细地进行计算与分析,在洞口的周边应有针对性地布设有效的构造措施;

(2)对于一、二、三级抗震等级的剪力墙,无论在什么部位都不宜采用叠合错洞墙,除此之外且必须要用到叠合错洞墙时,在其布置时必须借助于有限元的方法进行仔细的计算和分析,同时应该在洞口周边布设加强措施(如图3中的3-2所示),或者采用其他轻质材料填充(图中阴影部分),如此一来可将叠合洞口等效看作为框架结构(如图3中3-3所示)。

3 “框架——剪力墙”的设计

当下在高层建筑物的剪力墙设计上,在框架结构的恰当的部位布置一定数量的剪力墙,由二者共同承受外荷载,就构成了“框架——剪力墙”结构体系。

该结构受到竖向荷载作用时,框架和剪力墙分别承担各自范围内的荷载,其内力计算方法与等同于框架、剪力墙的内力计算;该结构受到横向荷载作用时,框架和剪力墙的各自构件性能就表现出来了,由于抗侧刚度相差悬殊同时变形性能迥异,同时都受到平面刚度很大的楼面约束,均不可能单独变形,所以,设计上必须解决框架和剪力墙之间协同工作的问题。

框架——剪力墙结构中的剪力墙布置应做到“均匀、分散、对称、周边”的原则,并应在结构两个主轴方向均布置剪力墙,特别是当结构两个方向的平面尺寸相差较大时,除了在短向布置剪力墙外,在长向更应布置一定数量的剪力墙,但是长向剪力墙的墙肢不宜过长,使结构两个主轴方向的抗侧力刚度不至相差过大,以减小结构的整体扭转效应,并体现多道防线的概念设计要求。同时,在设计中剪力墙的截面沿高度方向采取变截面的方式,越往上墙厚逐渐变薄,这是因为在水平荷载作用下,单独的剪力墙变形为弯曲型,下部侧移小、上部侧移大;而单独的框架变形为剪切型,下部侧移大、上部侧移小。框架——剪力墙则为弯剪型的变形结构,通过各层楼板的约束,框架和剪力墙两者变形趋于一致(如图4所示),在下部楼层,剪力墙承担大部分剪力,拉着框架变形,使框架的层间侧移减小;到了上部楼层,剪力墙的侧移变大,框架的侧移变小,为了使变形协调一致,框架除了承担原有的剪力外,还需额外承担拉回剪力墙变形产生的附加剪力,所以剪力墙截面沿高度方向不变,剪力墙越厚,在上部楼层框架的负担反而越重,对结构安全造成不利影响。

4 工程实例

某工程为26层的框架-剪力墙结构,结构布置如图5所示,抗震设防烈度为7度,设计基本加速度0.10g,建筑场地类别:Ⅱ类,特征周期0.35s,设计使用年限50年,属丙类建筑。本工程采用两种不同的剪力墙厚度进行分析比较,一种是剪力墙厚度均匀变化,由下部的400mm逐渐变化到上部的200mm;另一种是剪力墙厚度从下到上均采用450mm,其他的结构布置均相同,计算结果如表2所示。(采用PKPM系列－SATWE)。

由计算结果可知,剪力墙变厚,框架承受的倾覆力矩反而加大了,其原因在于剪力墙越厚,框架的负担就越重,要求其抗侧力刚度也越大,所以剪力墙厚度不变不仅使结构刚度过大,不但加大了结构的地震效应,同时结构的自重及工程量也相应增加,当剪力墙部分的抗侧力刚度加大而框架部分的抗侧力刚度不变时,由于剪力墙变厚增加的水平力只能由框架来承担,这样对结构的安全也是不利的。因此,剪力墙截面沿高度方向从下至上逐渐减小,无论对结构安全还是工程经济性都是有益的。

5 结语

随着社会的发展、经济水平的提高,高层建筑将如雨后春笋般出现,剪力墙结构因其抗侧刚度大,能有效地减少侧移,且具有较好的抗震性能,因而被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土建筑中。所以,在剪力墙设计中,要根据其受力的特点,充分掌握和了解其受力特点和破坏机理后,并选择合理的布置形式,正确掌握计算分析方法,建筑的结构设计才能更加安全、适用、可靠、经济,剪力墙亦将在多、高层的住宅中有着广阔的发展前景。

参考文献

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