高层建筑剪力墙结构优化设计分析

2015-04-16郭铁功

建材与装饰 2015年37期

关键词：短肢墙肢楼层

郭铁功

（克孜勒苏柯尔克孜自治州第一建筑安装工程有限责任公司 845350）

高层建筑剪力墙结构优化设计分析

郭铁功

（克孜勒苏柯尔克孜自治州第一建筑安装工程有限责任公司 845350）

在高层建筑施工中，剪力墙结构的优化和相关设计人员的实践经验关系密切。设计人员基于结构安全或者计划进度的原因，通常会以较为保守的结构布置作为设计结构。本文主要从高层建筑剪力墙结构方案选择、设计中应注意的问题、剪力墙结构设计、优化计算四个方面探讨高层建筑剪力墙结构的优化设计，以期为我国的高层建筑发展提供有益建议。

高层建筑；剪力墙结构；优化设计

由于建筑业的迅速发展，房地产和工厂建设规模日益扩大，而土地资源的紧张对建筑工程技术的要求也更高了，建筑住宅的发展也更加注重向高层扩张。高层建筑的特殊性使得相关的技术要求也更高了，而这要求做好高层住宅混泥土剪力墙结构优化设计。

1 剪力墙结构方案选择

高层建筑剪力墙设计的方案是多种多样的，在保证建筑高层结构安全的情况下，需要思考如何有效减少工程造价，选择科学的结构形式，特别是在刚开始设计方案的时候，一定要考虑好选择怎样的结构体系，对构件截面尺寸、建筑材料都应该有清楚的把握，这对工程造价有很大的影响。[1]只有科学选择结构体系，才能整体上控制好成本。必须要按照建筑物上部结构的不同使用功能，选择对于类型的构件截面，以节约建筑材料。在层数比较少的高层建筑中，短肢剪力墙结构体系是一种不错的选择。层数不高于20层的建筑要是利用过去那种现浇剪力墙结构，因为每个墙肢的实际轴压小于计算值，墙体通常也是构造配筋，这样一来就让墙体难以很好地发挥其承载作用。运用短肢剪力墙结构，这能够较好克服上述问题。在7度区，20层以下的高层建筑运用短肢剪力墙结构，能够有效控制结构定点的位移、周期、水平地震剪力等。科学运用短肢墙，可以把一砖墙作为些混泥土墙，让墙体自重减轻，结构刚度也降低，所以不会有太高的地震反应，既节约工程费用，又强化了结构延性，增强了结构的抗震性。有的高层建筑结构是框支剪力墙，上部结构同样能够使用短肢剪力墙结构。为了让上下层的刚度变化不过大，框支剪力墙结构的剪力墙刚度可以合理降低，明显好过加大上下层刚度的方式，且有着不错的经济效益。如果高层建筑层数高于20层，那么还是运用现浇剪力墙结构为宜。建筑层数太多的结构中，如果还是运用短肢剪力墙结构，就会造成结构刚度欠缺，顶点位移、层间位移值或许会和规范的要求不符，结构底部剪力系数也比较低，最终让结构缺乏合理的安全性。不过，有时传统现浇剪力墙结构也会有着较大的刚度，此时应在墙肢上开孔，也可以把窗台变成砖砌结构。

2 设计中需注意的问题

设计高层建筑剪力墙结构的时候，需要注意以下七个问题：

（1）利用计算机辅助软件进行设计，要按照实际情况对软件中模型与各类参数进行合理调整，尽量使设计方案体现出工程的实际情况，设计中的计算结果一定要尽量接近实际模型。清楚参数的实际作用，以科学设置不同参数。有的短肢墙整体性系数比较大，要努力减小强度系数，在水平反复荷载中结构才会有较强的耗能能力。

（2）工程设计切记不要对计算机的计算结果过于依赖，也不要由于某部分计算结果存在些许误差就不信任计算软件，唯有边实践边了解软件特点，才能在实际工作中减少误差，最终设计出来的方案才安全而合理。

（3）高层建筑的墙、梁等构件的特点就是可以随意偏心布置，注意轴线和节点不要太近，提高计算精度。要是节点距离太近，就容易让后面的计算出现问题，并且构件偏心布置过程中不要偏心过大，特别是避免跨节点或者轴线。

（4）SAT-WE程序中，因为存在不同抗震登记，墙的内力放大系数都属于隐含值，不过对于设计人员来说，对这类系数的取值一定要了解。

（5）对连梁与墙肢强度应有效确定，墙肢应该在连梁之后屈服。同框架结构相似，强制剪力墙设计需要符合墙肢弱梁、强剪继弯原则。

（6）科学分析、判断软件计算的结构。

（7）设计短肢剪力墙结构时，应该注意概念设计，让房屋额每项指标都符合抗震规范和高层建筑混凝土结构技术规程要求。

3 剪力墙结构设计

设计剪力墙结构时，要根据主轴方向双向或者多向布置，各个方向的剪力墙应该联结好，通过拉通、对直使之变成工形、L型、T形之类的有翼缘的墙，形成空间结构。抗震设计中，要想使之有良好的空间性能，剪力墙不要单向设计，两个受力方向的抗侧刚度应该接近，剪力墙肢截面最好是简单而规则的。要想利用好剪力墙结构的能力，设计中就需要让墙体结构的自量减轻、空间面积变大、剪力墙承载力与抗侧刚度提高、另外，剪力墙布置不宜过于密集，结构的侧向刚度应该合适，要是侧向刚度太大，既会增大自重，又会增大地震力。剪力墙墙段应该符合墙体规则、简单的要求，竖向刚度应均衡，门窗孔洞布置应整齐，上下对齐，使剪力墙肢、连梁更明确，剪力墙肢与连梁的应力需规则而均匀分布，而且要和当下的设计计算简图相符。[2]剪力墙墙肢的孔洞刚度差异不能太大。要是剪力墙比较常，那么就要使其均匀变成多个墙体，开挖孔洞，不同剪力墙间的链接部分使用弱连梁链接。但是，在抗震设计中，最好不要开挖孔洞，两个孔洞间形成墙体肢截面高度、厚度之比不能大于4的小墙肢。如果墙的厚度超过小墙肢截面的1/4，就应该以框架柱设计要求对箍筋全高加密。如果讲理去结构平面中刚度、承重力比较大，但是平面外刚度、承载力较小，那么就需要对剪力墙水平外的弯矩进行控制，以确保剪力墙平面外的稳定性。结构的抗侧刚度大小会因为剪力墙的设置而不同，为了不让刚度出现变化，要从上往下连续布置。要让墙体刚度不出现突变，则应沿着其高度将墙体的厚度合理减少，混凝土强度亦是如此，也可以减少墙肢，从而让墙体侧向刚度能够因为高度降低而慢慢减少。[3]与此同时，要是剪力墙沿高度没有连续，那么剪力墙结构的刚度会沿着高度出现突变情况。在设计剪力墙时，必须要明确剪力墙厚度，这就要求一定要符合抗震等级、轴压比、层间位移、周期比以及位移比等构造要求。

4 结构优化计算

设计剪力墙结构的过程中，应该按照《高规》或《抗震设计规范》等建筑结构设计规定，科学布置结构，例如设计剪力墙结构时，其刚度要避免太大，而且需要符合层楼最大层间位移和层高之比的要求，对楼层最小剪力系数进行确定，以便于计算出来的数值和规范设定值无限接近。对于高层建筑结构以扭转刚度为中心的第一自振周期Tt和以平动为中心的自振周期T1间的比值应该合理控制，其A级不要超过0.9。如果将偶然偏心对地震作用的影响进行考虑，楼层间位移与楼层竖向构件的最大水平位移应该小于这个楼层平均值的6.4，同样也不应超过该楼层平均值的3.2。[4]还有就是剪力墙的规定限制范围、剪力墙底部加强区的轴压比应该被仔细检查，以确定它们和设计规范要求是不是符合的。

4.1 楼层最小建立系数调整原则

短肢剪力墙承载力需要符合一定的条件，那就是地震倾覆力矩的第一振动模式在低于40%的条件下，设置的剪力墙数量不要太多，剪力墙布局应该以空间较大作为目标，让结构的侧向刚度刚好合适，尽量降低楼层的最小建立系数，让它和规格限制较为接近，这样才会让重量变得更轻，地震作用的输入不会过大，节约工程造价。

4.2 层高与楼层最大位移比调整原则

必须以我国当前的高层建筑设计规范为基础，设计高层建筑时能减少扭曲变形则尽量减少，若要增加熟悉构件刚度，则应该全面考虑，而不是只把层间位移考虑在内。在工程的实际设计中，部分设计人员一旦发现层间位移比和设计要求不相符，就盲目增加构件侧向刚度，可是却没有认真思考此时结构剪重比要是和规范限制数值比较接近就是可行的，反之则不能。如果剪重比太大，那么相关侧的结构刚度则需减少，降低其地震作用力，这样做所带来的效果也是比较理想的。

4.3 结构侧向刚度和抗扭刚度的调整原则

结构平面一定要有规则性，要使结构的扭转效应不会过大，建筑结构扭转效应计算过程中一定要把偶然片心里对结构的影响考虑进去。

4.4 结构扭转自震与平动自震周期比调整原则

从当下地震中很多受损的房屋的研究来看，如果高层建筑结构设计平面抗扭曲力不强、平面缺乏规则性等问题将导致建筑严重受损。因此，设计的过程中抗扭曲能力是建筑必须具备的，而且建筑结构的平面尽量要规则。设计实际过程时，在建筑四周布置结构竖向构件，这样做的目的就是要让结构侧向刚度更高，而且使结构抗扭刚度也一样提高。如果在结构形心附近将竖向构件刚度增大，那么对侧向刚度有较大贡献，但是却无法给结构的整体抗扭刚度提供更多贡献。