浅析高层建筑剪力墙结构优化设计

2018-02-14王健

建材与装饰 2018年19期

王健

前言

剪力墙结构对于高层建筑性能提升有着很大的促进作用，但在剪力墙的应用中还存在很多不足，所以需要将结构优化设计做好。

1 关于高层剪力墙的概念概述

剪力墙结构广泛应用于我国高层建筑墙体结构中，它主要是通过混凝土和钢筋对建筑设计。剪力墙结构作为整体建筑的构件，要契合建筑的整体布局，满足建筑的平面结构，还具有抗震、抗风、承重的能力。高层建筑的剪力墙中有许多的承重柱，让建筑物内部简洁美观，这样使得内部的活动空间变得更大，房屋使用者可以最大限度地根据自己的要求对内部空间进行设计，满足自身需求。

2 高层建筑中剪力墙的应用评价

在高层建筑中，抗震性能是决定建筑质量的重要因素，因此，需要有效控制建筑物在地震水平荷载作用下产生的横向位移量，该情况下，剪力墙结构得到了广泛应用，如何进行剪力墙受力分析和结构计算，成为建筑设计行业的热议课题。剪力墙结构具有整体性良好、侧向刚度大，同时在水平力作用下位移量小的优点，由于没有梁、柱等结构构件，有利于建筑物内部空间的布局设计。随着建筑物高度不断升高，在地震等外力作用下，建筑物产生的横向位移量会越来越大，剪力墙结构也会发生扭曲形变，在以往的结构设计中，大都将剪力墙简化成具有等效刚度的杆件，然后在此基础上进行内力分析和结构设计，尤其需要注意剪力墙在和楼面连接处的结构设计，应该采取有效地控制措施，提升整体稳定性。

3 高层建筑中剪力墙的优化设计

3.1 优化剪力墙布局设计

高层建筑中剪力墙的布局，宜按照“均匀、对称、分散、周边”的原则进行设计，剪力墙宜均匀对称地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位。剪力墙结构具有很好的承载能力，在高层建筑中，通常可以结合建筑自身的需求，采用钢筋混凝土现浇板，不设梁，在地震等作用力下承担一部分水平荷载。在建筑设计中，需要考虑竖向承载力的分布，充分考虑高层建筑结构的对称性。在进行高层建筑抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。此外，高层建筑剪力墙的设计过程中，还需要重点考虑在伸缩缝、沉降缝、防震缝两侧不宜同时设置剪力墙。要做好防水处理，可在外部涂抹水泥基渗透结晶型防水涂料，并高出渗水处50cm，使用渗透结晶型堵漏材料和10%渗透结晶型基层处理剂混合水泥砂浆，用钢丝网进行防护。

3.2 优化框架剪力墙设计

框架剪力墙结构主要就是由梁柱构成的框架和部分剪力墙组成。框剪结构的剪力墙常为填充墙体，主要承受水平荷载和坚向荷载，适用于平面或竖向布置复杂、水平荷载大的高层建筑。框架剪力墙结构中的剪力墙，应该设计成周边有梁柱或者暗梁柱的带边框剪力墙。纵横向相邻剪力墙宜连接在一起形成L形、T形及矩形等，以增大剪力墙的刚度以及抗扭能力。此外，高层建筑剪力墙结构设计中，墙体在坚向布置时，需要注意剪力墙要贯通整个建筑的全高，保持建筑物上下刚度均匀连接。当高层建筑剪力墙坚向特性发生某种变化时，墙体自身的厚度和混凝土等级需要随之改变，当高度增加时，可以适当减少墙肢数量，降低建筑物的整体刚度。对于高层建筑中门窗等洞口布置时，需要注意避免在剪力墙端部设计，在剪力墙方向开设门窗时，应该进行坚向对齐布置，整个高层建筑的门窗长度宽度相同，确保建筑物墙体和连梁得到合理的分布。

3.3 优化剪力墙结构计算

剪力墙结构的刚度不要过大，在满足楼层层间位移与层高之比的基础上，以最小剪力系数为目标。剪力墙连梁是否超限、底部的轴压比是否符合规范要求都是要考虑的。计算参数的选取是很重要的：①周期折减系数：填充墙较多时的剪力墙结构，取0.9～1.0；填充墙较少时的剪力墙结构，取1.0。填充墙对主体结构周期的折减，是指填充墙的刚度影响高层建筑主体结构刚度的程度，主体结构的刚度大则填充墙对主体结构的影响小，刚度小则影响大；填充墙的刚度大对主体结构的影响也大，刚度小影响就小。②振型个数：以保证振型参与质量大于或等于总质量的90%为前提。高层建筑地震作用振型数非耦联时n≥9个，耦联时n≥15个；对多塔结构振型数n≥塔楼数量X9。③连梁刚度折减系数：在内力和位移的计算中，连梁刚度折减系数可取0.5；当结构位移由风荷载控制时，连梁刚度折减系数最好不小于0.8。

3.4 优化剪力墙结构连梁设计

在高层剪力墙结构中，连梁是一项关键的耗能构件，连梁常被称为结构抗震设计中的“保险丝”，它可以起到耗散地震能量的作用。所以一定要优化剪力墙结构连梁的设计，连梁的强剪弱弯应该反复多次验算，确保高层建筑在修建完毕后连梁的弯曲破坏比剪切破坏晚。除此之外，在实际施工过程中也不能随意加大连梁纵筋和箍筋，前者会导致无法满足“强剪弱弯”的要求，后者会导致剪切破坏提前发生。例如：当连梁的跨高比大于5时，刚度不能减少，需要按照框架梁的要求设计施工，此时可将跨高比为增加至6，解决刚度不减少导致剪力过大的情形，还可以减少钢筋混凝土的使用量，从而减少投资成本。

3.5 优化剪力墙结构配筋

剪力墙配筋控制对建筑物主体造价起着关键性的作用。通过以往高层建筑物的结构设计对比，一般的剪力墙配筋几乎都是按规范规定的最小配筋率构造配筋，所以控制剪力墙厚度，可以有效地控制剪力墙墙身钢筋用量。选择优质的材料是进场前第一步要做好的工作，钢筋材料的选择是至关重要的，各种合格证明一定要检查清楚。合格的钢筋才能进入施工场地。剪力墙结构的配筋选择要满足工程测算和建议标准的材料，将水平钢筋安置在外侧，垂直钢筋安置在内侧，根据现实情况优化设计，减少建筑成本。