论高层建筑剪力墙结构优化设计

2016-03-16熊思虎

环球市场 2016年5期

关键词：层间限值剪力墙

熊思虎

湖南省第四工程有限公司设计分公司

论高层建筑剪力墙结构优化设计

熊思虎

湖南省第四工程有限公司设计分公司

本文通过实际工程案例，对于剪力墙结构设计要点进行具体研究，同时提出了部分优化措施，以供参考。

高层建筑；剪力墙结构；优化设计

前言

随着城市化的迅速发展，人们对于住房要求也越来越高。为满足如此庞大数量的居民住房，住宅建筑往往趋于高层，但对于建筑水平要求极高的高层建筑涉及到多种技术方面的问题。如何对于高层建筑中剪力墙结构进行优化设计，就是其中的一个研究重点。

1 工程概况

某建筑B1#住宅楼：总建筑面积5011m2，建筑物长44.2m，宽12.0m，房屋总高度为31.2m。本建筑地下一层，层高为3.9m；地上十层，地上一层层高4.2m，以上每层层高均为3.0m。本工程抗震设防烈度为Ⅷ度，设计地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组；剪力墙抗震等级为二级，建筑物安全等级为二级；场地土类别为Ⅱ类，场地土不考虑液化、无湿陷。

2 剪力墙布置

①剪力墙宜简单、规则，沿两个方向双向布置，两个方向的刚度不宜相差太大，以控制扭转的不利影响。②剪力墙不宜过长，较长的剪力墙应开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段用弱连梁连接，且墙长不宜大于8m。③先在建筑外墙周圈和楼梯或电梯井筒部位布置剪力墙，门窗洞口宜上下对齐，成列布置，避免形成错洞墙使剪力墙上下传力不连续而产生刚度突变。④剪力墙根据房间布局沿两个轴线方向布置成T型、L型、十字形。⑤剪力墙厚度的确定：剪力墙的底部加强区的高度取底部两层（4.2+3.0=7.2m）和墙体总高度的1/10（31.2/10=3.1m）的二者的较大值，故底部加强区的高度取7.2m。因本工程为二级剪力墙，根据规范构造要求底部加强部位的厚度取200mm，以上部分取200mm。⑥通过以上分析，得出第一次剪力墙布置，并在PKPM中输入参数建模，进行内力计算得出以下数据：

a.位移比：最大层间位移角X方向最大层间位移角：1/1567（1/1000规范限值）；Y方向最大层间位移角：1/1005（1/1000规范限值）；最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值；X方向最大位移与层平均位移的比值：1.02（1.2规范限值）Y方向最大位移与层平均位移的比值：1.28（1.2规范限值）；X方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.01（1.2规范限值）Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.32（1.2规范限值）。

b.周期比：结构以扭转为主的第一自振周期Ta=0.9238；结构以平动为主的第一自振周期Tb=1.0059。

c.从以上数据显示，《高规》第3.4.5条规定最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值，A级高度高层建筑分别不宜大于1.2，不应大于1.5。以上数据不满足要求。这说明结构平面不规则，质量与刚度产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转，应调整抗测力结构布置，使其分布均匀。从以上位移角数值可见，X向最大层间位移角为1/1567＜1/1000，这虽然满足了规范要求，但比规范限值1/1000的要求小很多，说明X向剪力墙布置较多、刚度较大，应适当减少墙体数量或缩短墙肢长度来削弱其刚度。

d.从轴压比来看，在地下室（1-9）轴、（1-11）轴与（1-A）轴相交的剪力墙轴压比为0.63、0.62，大于规范规定的0.6的限值。在X向受建筑平立面的局限，不能加大墙肢长度，只能提高混凝土标号或把地下一层墙体的厚度加大。剪力墙在结构中布置比较灵活，可调整性大，从而导致有不同的计算结果，剪力墙布置应在满足规范要求的前提下，最终经过位移比、周期比、轴压比等各项指标控制，得出经济合理的布置方案。

3 剪力墙结构设计优化措施

根据上述工程的布设以及施工来看，要想进一步优化高层剪力墙结构的设计，可以按照以下几个方面的措施进行：

3.1 优化墙体的配筋设计

关于墙体配筋在剪力墙结构中的优化设计，第一步要做的工作就是选择优质的材料，其中钢筋材料的选择是重中之重，需要检查钢筋的各种合格证明，这是钢筋进场前的首要工作，符合要求的钢筋才可以进入施工场地。剪力墙结构墙体配筋大多数需要把垂直钢筋安置在里面，水平钢筋安置在外面，这是因为地底下的墙体配筋相对于其他部分较多，而且地下水压和土压造成的压力较强，剪力墙结构的配筋通常符合建议标准和工程测算的最小配筋率即可。依据实际现状制定的剪力墙优化设计能够较好的减少投资成本。对剪力墙厚度的选择尤为重要，不必特意把最小厚度定为200mm，在满足结构计算要求的前提下也可采用180mm或160mm剪力墙。

3.2 剪力墙结构连梁的优化设计

相关剪力墙结构标准中明确提出，如果连梁的跨高比大于5的时候，就需要按照框架梁的要求展开设计，这也就是表示，跨高比大于5的连梁，它的刚度不可以减少，然而当连梁的跨高比在5～6时，一旦刚度不减少，很有可能造成剪力过大的情况，使得建设工程的成本增加，浪费资源。解决方法就是使跨高比大于6，这样就可以明显的减少钢筋与混凝土的使用量，有效的减少投资成本。

3.3 层间位移比和最大位移的优化设计

依据规定，在核算常遇地震作用标准值造成的楼层最大的弹性层间位移时，把高层变形建筑物排除以外，大多数不扣除整个结构的弯矩变形，同时算入扭转变形。所以，以高层建筑为例，首要的任务是制止楼层间和剪切变形。根据制约的垂直构件数量可以制约剪切变形，一旦单数构件布置的不科学，一样能产生很大的扭转变形，所以，高层建筑需要最大可能的减少扭转变形，不可以随意增设构件的刚度。

3.4 加强剪力墙结构均衡设计

高层剪力墙结构的均衡设计需要工作人员使用合理的对策，促进剪力墙结构的受力平均，这不仅仅可以提高工程的安全性能和结构的合理性，而且还可以节约高层建筑的造价成本。剪力墙结构的合理设计需要工作人员依据建筑物的平面布局状况来实现，设计人员分析各种情况，得出剪力墙结构优化设计的方案，这包括设计人员依据施工场地的现状，设计出科学合理的剪力墙结构，在设计人员设计好剪力墙结构方案的同时还要制定出符合设计要求的管理条例，加强对剪力墙结构的检查和监督，增强施工人员的安全意识和管理团队的科学管理水平，保证施工人员严格按照设计方案和施工图纸进行施工，保障施工的质量，特别是剪力墙结构的质量。