基于剪力墙结构的高层建筑结构设计分析

2016-03-15田正

科学中国人 2016年26期

关键词：剪力墙抗震荷载

田　正

中国建筑东北设计研究院有限公司

基于剪力墙结构的高层建筑结构设计分析

田正

中国建筑东北设计研究院有限公司

土地作为不可再生资源可开发建设用地逐年减少，建筑建设开发规模不断的扩大，高耸挺拔的高层建筑也鳞次栉比的出现在城市中。剪力墙由于结构刚度大、整体性好、含钢量少等特点，在广泛应用于高层建筑当中。

高层建筑；结构布置；剪力墙；配筋计算

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙体代替框架结构中柱子承担由各类荷载引起的内力的结构形式，墙体既能形成抵抗水平作用的结构构建，又能起到对空间分割作用，相对框架柱他们很薄，与划分空间的分隔墙同厚，墙体水平方向抗侧移能力强，所以这种结构形式在高层建筑内被大量应用。建筑物的荷载通过水平构件将水平剪力传递在结构墙上，这也是剪力墙名称由来。在剪力墙设计中不但要求充分考虑建筑结构安全性，还需要对其施工成本进行控制。笔者根据几年设计工程的积累，总结出一些经验，在此进行简单讨论。

1　剪力墙体系特点

剪力墙合理设置间隔是3-5m。相对于框架结构，剪力墙体系跨度较小，建筑空间灵活性受到局限，无法适应大空间功能要求，更多的适用于酒店、公寓、住宅等建筑。该体系水平构件只有楼板，不需要框架梁，所以能比较好的节约层高。但抗侧性、整体性和抗震性能良好的特点，让剪力墙体系越来越多的用于高层建筑物营造。剪力墙体系，是一种刚性结构形式，本身具有较强抗剪能力，对抵抗水平侧力有良好的性能。剪力墙结构体系在水平力作用下会发生弯曲型。

2　剪力墙设计需要重视的主要问题

剪力墙有上述诸多优点，但是自重很大，地震时吸收地震力较多的缺点也十分明显。为了抵抗地震力，结构设计中将会加强基础以及上部结构体系，会增加的工程建设成本；剪力墙体系，盲目增加钢筋用量，会导致建筑墙肢结构自身的轴压力较低，同时也会导致结构的开裂；剪力墙中配筋率比偏低，将直接导致结构体系延展性差，抗拉抗剪等力学性能减弱。因此，在高层建筑的结构设计中运用剪力墙结构，不仅要盲目考虑建筑工程施工成本，还要对剪力墙结构自身的抗侧能力进行综合考虑，权衡二者之间平衡点。

3　剪力墙结构设计要点分析

3.1剪力墙结构效能

剪力墙墙身与连梁是剪力墙系统的重要组成部分。剪力墙墙体中包括的有竖向钢筋和水平钢筋，具体用量确定，主要对正截面的抗弯承载力与斜截面的抗剪承载力进行计算。剪力墙中的钢筋配置要求为：在一级、二级、三级的抗震设计中，竖向配筋率与水平配筋率不能低于0.25%；在四级、一级非抗震设计中，其配筋率不能低于0.2%。在四级、一级非抗震设计中，其配筋率不能低于0.2%。另外，剪力墙的竖向钢筋与水平钢筋之间的距离适宜在300mm左右，直径不能低于8mm。当剪力墙受水平荷载，墙肢产生扭曲形变，连续梁此时对于墙肢的水平力约束将平衡水平恒载，在一定意义上能够改善墙肢的受力状态，对墙肢能起到约束的作用，在对高层建筑结构整体进行计算的过程中，需要对连梁刚度以及高度进行适当的折减，有效增加跨度以此降低结构的刚度，对抗震结构的设计进行完善，能有效缓解地震对剪力墙的影响。

3.2剪力墙平面布置

在剪力墙结构中，剪力墙负担自重、水平地震作用力、竖向荷载力以及风荷载力。所以，布置竖向剪力墙构件时，首先要能满足建筑物自身荷载，宜沿轴网对称布置，但多数建筑因自身功能流线原因，无法做到对称，则要求剪力墙均衡布置在建筑内部，防止剪力墙密度不均，出现扭转效应。平面布置时应注意以下事项：a.慎用短肢剪力墙。短肢剪力墙营造的空间灵活，能够适应多种建筑平面功能要求，并且能够有效降低自重，但自身抗震性能不强，不利于提高建筑结构的安全性。b、剪力墙不宜过长。长度很大的剪力墙，刚度大、结构的周期过短，不利于抵抗地震力，而且剪力墙只有处于受弯状态，才能有足够的延性，所以高细形状的剪力墙力学性能更优秀，如果剪力墙太长时，将形成低宽剪力墙，就会由受剪破坏，剪力墙呈脆性，不利于抗震。所以如果剪力墙过长，应用连量划分成数段剪力墙段，且高宽比应不小于2；c.合理设计剪力墙结构整体刚度，因为剪力墙结构刚度大，地震力比较大，消耗施工材料多，不具有经济性，盲目提高剪力墙强度将造成较大浪费。

3.3剪力墙竖向布置

竖向连续是剪力墙布置的原则之一，结构竖向构建不连续会造成刚度突变，受地震力容易被破坏。由于建筑平面功能限制会有剪力墙取消的情况，如果顶层局部剪力墙需要取消，则其余剪力墙应在构造上予以加强；而底层局部剪力墙取消时，应设置结构转换层。此外剪力墙的厚度应随高度增加设置阶段变化，每次减小50-l00mm的厚度，保证建筑整体刚度变化均匀连续。普通剪力墙厚度变化时宜两侧同时内收。而外墙及电梯间墙可只单面内收。

3.4合理配置剪力墙中暗柱、端柱钢筋

规范规定，对于一级、二级以及三级剪力墙结构设计，一定要设置暗柱与端柱。暗柱与端柱是“约束边缘构件”和“构造边缘构件”两大类。暗柱的宽度等于墙的厚度。暗柱与端柱，能够在一定程度上消耗大量地震波的能量，因为剪力墙的边缘构件抗拉的能力很强，所以能够有效的提高建筑的稳定性。