高层建筑中剪力墙结构设计的几个要点
2014-07-23徐伟
徐伟
(无锡市都市建筑设计有限公司,江苏 无锡214073)
剪力墙结构(shear wall structure)是指能够代替框架结构中梁柱承担各类水平、竖向荷载并能有效控制结构水平力的钢筋混凝土现浇结构。这种结构具有增加建筑物内部空间、减少用钢量等优点,目前在高层房屋尤其是高层住宅建筑得到大规模的运用。作为结构设计人员,在造价一定条件下如何最大限度地提高剪力墙的刚度,对于实现建筑结构安全效益、经济效益与社会效益的有机统一有着重要的意义。
1 剪力墙结构的优缺点
1.1 剪力墙结构的优点
实践证明,剪力墙结构的运用可以在很大程度上减少建筑结构的用钢量、降低工程成本,同时由于其具有较强的整体性能,拥有相对较大的刚度足以抵抗各类荷载,尤其是水平向荷载。具体到高层住宅建筑中,剪力墙结构的运用还能将建筑物内部的分隔墙与承重墙有机结合,增加建筑物内部空间,不仅安全可靠,而且经济美观。
1.2 剪力墙结构的缺点
剪力墙结构在存在诸多优点的同时,难免会存在一定的缺点。主要表现在以下4个方面:
(1)相对于框架结构,剪力墙的存在难免导致建筑自重的增加,建筑物建造成本相应增加。此外,地震作用下结构的地震反应也相对增大;
(2)剪力墙结构自身刚度较大从而能够较好地抵抗侧向变形,相应的建筑物上部结构以及下部基础也需予以加强,建筑物成本增加在所难免;
(3)剪力墙结构中构造钢筋的配筋率相对较低,虽然在一定程度上节省了钢材,但却使得结构延性变小;
(4)剪力墙墙肢自身承载能力得不到充分运用。
2 剪力墙结构设计的几个要点
2.1 根据建筑物层数合理选定结构方案
(1)20层以下住宅建筑
对于20层以下住宅建筑,短肢剪力墙结构比传统现浇剪力墙结构有着较为明显的优势。一方面,短肢剪力墙面上结构洞存在可以一定程度地降低结构的自重,相应地结构的刚度也减小,地震作用下结构的地震反应也减小;另一方面,短肢剪力墙各强肢的承载能力能够得到充分地发挥,这样在降低工程成本的同时还能很大程度地提高结构的承载能力。此外,短肢剪力墙结构还能有效改善建筑物墙体的保温性能。
短肢剪力墙结构基本原理:与传统剪力墙相比,短肢剪力墙上有一定数量的结构洞。在短肢剪力墙结构中,短肢剪力墙承受了大部分的竖向荷载。而短肢剪力墙结构中各墙肢连接为一体,整体性能良好,因此,建筑物具有良好的抗震性能。现实中通常会出现结构洞数量超过需求数量的情况,研究表明此时结构仍可保持良好的抗震性能。
短肢剪力墙结构设计要求:①对于包含多片剪力墙而刚度较大的抗剪核心筒,由于需要抵抗风荷载以及水平向地震作用等的破坏,因此,一般该区域不采用短肢剪力墙。但当单面墙体长度超过8m时,就需在该片剪力墙中间开一个洞,即形成短肢剪力墙。②对于非核心筒区域的剪力墙,应当根据剪力墙的位置将它们分割成长度为4-6bw的短肢剪力墙,相应的结构形式可采用“--”型、“L”型或“T”型。设计时需要注意,应尽量避免长度小于3.5bw墙肢的出现,若无法避免则必须给予墙肢配筋必要的加强。
从经济性角度出发,短肢剪力墙结构可从以下3个方面节约工程造价:①短肢剪力墙面有限度开洞,相应位置钢筋混凝土被造价相对较低的材料所代替;②降低结构自重,建筑物上部结构截面减小,结构构造配筋率降低,相应基础部分的费用支出也得到降低;③降低结构的刚度,相应地降低了由水平力所引起的结构反应大小,最终使得建筑物上部结构以及基础费用支出减少。
(2)20层以上住宅建筑
对于层数超过20层的住宅建筑,传统的现浇剪力墙结构则比短肢剪力墙更加有优势。这主要是由于采用短肢剪力墙而高度较高的建筑结构体系的结构顶点位移、层间位移以及底部剪力系数等控制量都很难满足规范的相应限制要求,相应的结构安全性得不到保证,因此,这种情况下应优先选用传统现浇剪力墙结构。
2.2 避免剪力墙连梁超筋
通常情况下,剪力墙结构体系中剪力墙的数量相对较多且分布较为分散,水平荷载作用下,各剪力墙彼此之间抵抗变形的刚度相近、受力也较为均匀,因此连梁超筋的问题还较为少见。但是,这种问题在某些情况下还是客观存在的,这对结构体系的受力较为不利,因此应予以避免。
(1)导致连梁超筋的原因
在剪力墙结构体系中,以下4个方面原因可能最终导致连梁超筋:
①连梁自身跨高比较小;
②剪力墙面结构洞竖向中心线错位、不共线;
③与连梁两端连接的剪力墙墙肢过长;
④在剪力墙结构体系中剪力墙布置数量相对较少且承受的水平了相对较大。
(2)设计过程中避免连梁超筋的方法
根据上述关于连梁出现超筋问题的原因,可从以下4个方面出发加以控制:
①加大连梁跨高比,设计时可适当加大连梁中间部位洞口的高宽尺寸,或者设置一道贯穿缝;
②在设计过程中,设计人员应尽量使得洞口竖向中心线能够保持在同一直线上,如客观条件不允许,则应按照规范的要求在洞口相应位置采取必要的加强措施;
③对于墙肢过长的剪力墙,可以认为的在其中间位置设置结构洞来加以解决;
④设计人员在设计过程中应当从全局把握,确定好剪力墙的数量、分布以及墙肢的情况,从而杜绝这些因素所造成的连梁超筋问题。
若采用上述4种措施仍然不能很好的解决连梁超筋问题,还可以采取以下2种措施:
①在结构设计过程中,将连梁刚度乘以一定的折减系数,但这个系数必须大于等于0.55。连梁刚度适度折减就意味着在一定程度上允许连梁在水平力作用下产生开裂进入弹塑性状态;
②对上下层及中间层连梁的弯矩设计值进行平衡性调整,调整的幅度应以调整前的20%为限度。设计时在降低连梁弯矩设计值的同时,相应提高相邻上下层连梁的弯矩设计值,调整过程不能打破保持整体的平衡。
上述2种措施若还不能凑效,则还可以增加连梁相邻墙肢的配筋量。
2.3 合理配置剪力墙暗柱钢筋
根据相关规范规定,一、二、三级剪力墙加强部位都必须设置暗柱、端柱。这主要是为了满足抗震的要求,因为设置暗柱、端柱等边缘构件的剪力墙在地震作用下可以消耗大量的地震波能量,其边缘构件抗拉能力强,相应的结构整体稳定性也有很大程度的提高。
3 结语
剪力墙结构设计应建立在对剪力墙结构性质、特点充分认识的基础上,设计人员必须能够使剪力墙结构最大限度地发挥其优势,克服其缺陷。本文作者结合规范及自身工作实践,在分析了剪力墙结构优缺点的基础上对住宅建筑中剪力墙结构设计的几个要点进行了介绍,希望能对剪力墙结构设计的发展有所帮助。
[1]祁瑞.剪力墙设计的几个问题[J].中小企业管理与科技,2012(02).
[2]赵海峰.钢筋混凝土剪力墙设计中需注意的问题[J].内蒙古石油化工,2011 (07).
[3]韦静.浅析剪力墙结构设计[J].中国城市经济,2011(12).