浅析建筑结构设计中剪力墙结构的优化设计

2016-08-12湖南省永州市建筑设计院湖南永州425000

低碳世界 2016年19期

关键词：剪力墙墙体结构设计

彭　辉（湖南省永州市建筑设计院，湖南　永州　425000）

浅析建筑结构设计中剪力墙结构的优化设计

彭辉（湖南省永州市建筑设计院，湖南永州425000）

为了在高层建筑中合理进行承重设计，确保建筑整体的安全性能，尤其需要重视剪力墙结构的设置与设计，为保证建筑质量，提高建筑安全系数发挥重要作用。本文探讨了建筑结构设计中，对于剪力墙结构的优化设计措施，以供参考。

建筑结构；设计；剪力墙；优化

1　引言

剪力墙结构是建筑结构设计中，常见的建筑结构之一，该结构的主要优势在于具有较强的刚性、侧移性强，且抗震能力好，但是在实际的设计过程中，没有形成一套完整、全面、科学的实施规定，尤其容易在剪力墙位置、尺寸、大小等方面，与实际的设计标准之间出现误差，导致建筑结构的质量问题。现代的剪力墙建筑结构设计的优化，必须从整体上进行考虑，从而保证结构质量。

2　剪力墙结构概述

2.1概念

在建筑工程施工中，剪力墙也就是经常用到的结构墙与抗风墙。剪力墙可以承载的负荷比较大，能够承载风、雨以及地震等自然现象，来保证建筑工程项目的安全，并且确保了墙体刚度。

剪力墙结构的应用优势在于：具有较好的稳定性和整体性，能够提高建筑物的承载能力；侧向刚度较大，对建筑物水平方向的荷载有较好的限制作用，适合高层建筑；无外露梁柱和构件，不会影响建筑内部空间美观和功能的分布。剪力墙结构应用缺点：剪力墙虽然稳定性好，承载力佳，但对建筑的类别限制较大，因其承重原理是靠墙体和楼板形成的受力系统，且一旦建成就不易拆除，在空间上更是宜小不宜大，所以对于住宅和宾馆等空间间隔不大的居住类建筑，比较适用剪力墙结构。

2.2剪力墙的分类

①实体墙。实体墙一般情况下墙体不开洞，或者开洞的尺寸非常小。实体墙墙体抗弯曲的能力非常好，不会发生反弯现象，其负荷能力比较强；②整体小开口剪力墙。当剪力墙上所开的洞口面积超过整面墙体面积的15%时，从受力图中能看出本应在洞口处呈直线状的正应力已经变成在洞口两侧，此种情形虽然不会使剪力墙产生异常情况，但是在连梁处有反弯现象；③多肢剪力墙。多肢剪力墙墙体开洞的尺寸比较大，其开洞的地方分布的也比较均匀，墙体结构和整体小开口剪力墙比较类似；④壁式框架剪力墙。剪力墙上洞口开得过大，剪力墙截面整体性将受到破坏，除梁柱的交接处不产生变形外，剪力墙此时已接近于框架的内力分布，成为剪力墙与框架之间的一种过渡，即壁式框架。

2.3剪力墙结构设计原则

①在对剪力墙进行设计计算时，应该充分考虑到水平与竖直作用下的结构整体，获得内力之后，还应该根据偏拉或者偏压对于斜截面与正截面承载力进行验算；②如果剪力墙与平面之外的梁相连，则会导致墙肢平面外弯距，对此，应该尽量避免开平面外搭接；③剪力墙结构为一个平面构件，除了承受平面作用的弯矩与剪力之外，还需要承担竖向压力，因此，在进行剪力墙结构设计时，必须保证一定的刚度和承载能力，同时还应该满足非弹性变形反复循环作用下的延性；④剪力墙的高、宽尺寸相对较大，厚度较小，其受力形状类似于柱，如果肢长与厚度的比值在3～5之间，则应该将剪力墙形状设计为异形柱，并采用双向受压构件设计，如果比值小于3时，则应该采用柱设计方式。

3　剪力墙结构优化设计要点

3.1剪力墙定位

如果平面的布置控制工作没有做好，则会导致平面不够均匀或者对称不接近标准状态，进而造成剪力墙的结构刚强度与力作用重合偏差较大，最终会导致弯矩现象，墙体扭矩的状况。因此，对于剪力墙的定位，需要按照估算好的数值、划线定位，保持平面的均匀与对称在标准范围，同时，内外墙体需要直通，墙体直截而保持简且有规则。

3.2承重设计

对剪力墙的承重结构设计有利于高质量完成建设任务，剪力墙结构设计人员应该在充分了解相关政策和施工数据的基础上，进行剪力墙的各个承重构件设计，确保建筑整体质量和承重能力。在对剪力墙承重构件设计时，还需要对原有的技术和结构进行优化升级，准确计算墙体的配筋率。

3.3墙面合理规划

建筑墙体除了需要保持均匀与对称，结构重量与刚强度重合，墙体直通外，还需要注意墙体的主轴路线，应当考虑到主轴双向与多向性。从抗震功能的角度思考时，如果剪力墙抗震动力度大时，就墙体的刚韧性有所降低，两者应当控制在合理的数值范围，避免相互制约的现象，其中剪力墙侧向刚度的数据可以用以下公式计算：

式中：n为约力墙结构层数。

在是施工过程中，还需要考虑到的就是剪力墙的施工工期、材料耗费等投入的成本问题一级施工过程中存在的安全隐患问题等，规划好各个方面，从而对剪力墙结构进行科学构建。

3.4控制墙体配筋

剪力墙结构有耗钢量大的特性，而且在我国，这种建筑结构在工程建设中应用较广，合理控制配筋量可以在资源和经济上都有很好的节约作用。在具体控制方法上，比较常见的是满足规范配筋最小值的前提下，将水平钢筋外侧、竖向钢筋内侧布置。迎水面保护层在采用双向钢筋网片时，可以很大程度上减少配筋量，其厚度可降为30mm。

3.5约束边缘构件

在建筑结构设计中，约束剪力墙边缘构件对其进行处理可以使剪力墙在相同条件下发挥更大的作用。由约束边缘构件和构造边缘构件这两种方式构成了剪力墙的约束边缘构件处理，各有优缺点，综合比较来看，构造边缘构件在建筑承载力上有更好的表现，而有约束边缘构件则在抗震性和稳定性上优于构造边缘构件，所以应按具体项目具体需要进行选择。

4　剪力墙结构优化设计实例分析

4.1工程概况

某工程为高层建筑混凝土剪力墙结构，这项工程的总建筑面积约 12570m2，建筑的总层数为地上 32层，局部 33层，地下共有2层，楼层的层高均为2.8m，整体建筑的高度是92.4m。此工程的设计基准期为50年，设计的抗震设防烈度是Ⅶ度。总体来说，此工程在剪力墙结构优化设计方面做了非常到位的工作，剪力墙模板平面如图1所示。

4.2结构方案布置

图1　剪力墙模板平面

此工程在结构方案的布置上并没有内收外挑的情况，整体布置具有一致性，只是在屋面层存在着楼板跃层和局部突出的现象。在优化结构整体方案的布置上，建筑竖向刚度的变化主要体现在分段式改变结构构件的截面尺寸和混凝土的强度等级方面，为了方便施工，也为了建筑质量的统一性，改变的次数不宜过多。但是从结构受力的角度来分析，改变次数过少就会造成每次改变的刚度突变，这样的刚度改变对于建筑存在安全隐患，所以在综合考虑的情况下，决定将改变结构构件截面尺寸和混凝土强度等级错开使用，避免出现同楼层的刚度突变，加强建筑物安全，混凝土的强度等级由下而上逐渐递减。

4.3参数取值设计

为了使得结构设计更加优化，在参数取值上也进行了多方面考虑，最终设计的参数取值如下：就容重方面而言，混凝土容重为27.5kN/m3，钢材的容重为77.0kN/m3，对于梁、柱、墙的主筋和箍筋的强度以及墙分布筋，还有边缘构件的箍筋强度均取用360N/mm2。在阵型组合数方面共采取18个阵型，而将连梁刚度的折减系数取值为0.70。在整个设计中，全部只考虑偶然偏心的影响，而将双向地震作用排除在外。另外就是在计算的时候，通通利用的是平扭耦连的方式进行抗震计算。

4.4结构优化对比分析

①楼层的侧移刚度。楼层侧移刚度是剪力墙体系中的重要内容，此次对比是将以往的剪力墙结构和优化设计下的剪力墙侧移刚度进行对比，结果发现在优化结构设计下，虽然剪力墙在材料等方面做除了节省，但是其侧移刚度依然保持着很好的质量安全；②楼层层间位移角的对比。楼层位移角的对比主要是根据《高层民用建筑设计防火规范》的要求对其进行质量方面的比较；③对地震反应力和减震比的对比；④周期比的对比。通过四方面的对比发现，在结构的优化设计下，整个高层建筑的质量安全完全在建筑标准要求之内，而且由于在设计上进行了优化，各方面的水平都具有了显著的提高，也节省建筑成本。