论高层建筑框支剪力墙结构的优化设计

2021-01-10黄文康

科学与生活 2021年26期

关键词：高层建筑原则方法

黄文康

摘要：建筑工程结构要想达到整个社会的发展需求，就必须优化框支剪力墙结构的设计，既要保证剪力墙结构的牢固度与稳定性，又要提升其抗震性能。本文重点分析了高层建筑框支剪力墙结构设计的原则，以及建筑框支剪力墙结构的优化设计方法。

关键词：高层建筑;框支剪力墙结构;结构优化设计;原则;方法

0前言

建筑工程结构设计关系到整个建筑工程的安全，只有做好各个环节的优化设计与合理布局，才能真正地提高建筑框支剪力墙的质量，才能从整体上维护高层建筑的安全与质量。

1工程概况

拟建场地位于江门市恩平市米仓三路8号，于米仓三路与工业一路交汇处以西，场地呈L字型走向：东侧为已建成小区;南侧为空地;西侧为民居和篮球场;北侧为民居和空地。拟建物为住宅小区（繁星小镇二期项目），项目地上17层，建筑高度51.80米。本项目的自然条件和设计参数如下：基本风压：W0=0.60KN/m2;地面粗糙度类别：B类;抗震设防烈度：6度;设计基本地震加速度值：0.05g;设计地震分组：第一组;建筑场地类别：Ⅱ类。结构类型为部分框支剪力墙结构，抗震等级为四级。

2高层建筑框支剪力墙结构设计的原则

2.1空间性原则

框支剪力墙现实设置中，必须额外关注建筑的结构空间特点，而且要保证双向剪力墙刚度的均衡，以此来提高剪力墙结构质量，发挥其优势使用功能。

2.2全面性原则

必须积极地控制剪力墙结构平面以外发生的弯矩问题，有效地避免剪力墙结构的弯矩风险，也要把楼面梁设计为一字型剪力墙，积极地规范剪力墙墙肢和楼面梁体二者的连接程序，控制其中任何的结构失误现象。

2.3整体性原则

剪力墙结构设计过程中必须本着整体性原则，设计墙肢中间的连系梁过程中必须保证其整体性，而且要优选轻质、便捷的材料填充于砌筑的墙体中间，以此来维护剪力墙结构的完整性、完备性。

2.4谨慎性原则

剪力墙构造内必须做好门窗洞的设置，保证门窗洞的上方、下方保持对齐，从而更加清晰、明确地识别连梁与墙肢，建筑设计人员也要达到一定的职业素养，本着高度谨慎、精细化的原则，建筑结构设计如期完工后，必须深入、细致地检查设计方案，要及时地识别其中的问题和不足，从而更好地健全建筑结构设计，从而控制工程的建设成本，确保工程建设经济效益。

3结构的设计与布局

由于高层建筑主体结构的平面分布不均匀，规则性较差，结构设计过程中一般可以设置缝隙来把建筑物来分成两大结构主体，这两大结构主体的结构布设方式大致相同，层数也相似。因此，应围绕右部上方结构加以设计。

然而，一些结构由于其结构形状不规则，必须采取优化与改进对策，转换层结构本身则作为竖直方向不规则的“竖向抗侧力构件不连续”的方式，也就是设置了转换层高层建筑构造，需采用两项不规则模式。要想控制超限、超载问题，则要利用科学的措施和方法来控制不规则问题，其中要严控建筑平面凸凹不平、形状不规则、楼板局部结构断开等问题，当出现这些问题时，则要从设计环节入手，可以将抗震缝、楼板构造等配设于建筑结构的合适位置，当转换层所处位置偏高时，例如：处于三层甚至更高的部位时，则要确保转换层上楼、下楼等的刚度符合规定的标准，而且也必须切实调节好其上部结构、下部结构等的部位，确保他们达到特定的刚度比。转换层处的上结构、下结构的等效刚度比值越小，意味着上下结构部位的相关参数越加明显，例如：位移角、内力突变等。因此，现实设计中要保证此数值为1，来达到相关的现实使用需求。

4高层建筑框支剪力墙结构设计计算要点

高层建筑框支剪力墙结构设计计算必须结合工程项目的特点、类型等针对性计算，对于此工程项目来说，计算参数则要参照下面的标准：

4.1正确选择计算参数

根据建筑的类别，此建筑工程为丙类，其场地类型则属于二类，抗震设防烈度为VI度，设计基本的地震加速度：0.05g，场地特征周期：Tg=0.35s，基本风压为：0.60kN/m2。

4.2结构主控参数

结合此工程实况，其结构形式内自振周期的计算数据都在一个科学范畴，而且在X，Y两个方向的自振周期没有明显的差别，而且转换层方面，其上结构、下结构的等效侧刚度和转换层临近刚度的比值也符合对应的技术规范，转换层上结构、下结构的等效侧刚度参数没有太大的差异，这就使得其能高效地缓解结构部件内应力、变形的突变，从而意味着结构平面和竖向结构形态都符合现实的标准和要求，能达到一定的抗震性能，此外，即便受到地震、风力的干扰，对应的位移、转角等也较小，从而确保其符合技术规范等级。

框支剪力墻构造要站在结构、布局以及设计等方面，此结构为三维受力结构系统，对应的竖向刚度参数浮动则较大，对应的受力也相对复杂，众多的环节都相对薄弱，可以参考技术规范来对应选择达到现实需求的三维分析系统，从而优化其整体性能，框支的剖析也要积极地运用有限元软件来加以分析，其中要清晰地指出应力分布特点，并对应核查框支梁、柱、周围墙体构造的配筋度，确保他们都符合现实的利用需求。有限元分析要锁定一个特定范围：底层框架、框支层与若干墙体结构。

4.3明确抗震等级

建筑结构方面，转换层之下则为框架剪力墙构造，相反，上方则为剪力墙构造，现实的框架剪力墙结构设计中，必须明确抗震等级，必须根据结构体系来分析、研究各个构造的构件特点、型号，并且要结合高层建筑设计的规范、规定与要求，来科学定位转换层的部位，做好框支柱，要重点强化剪力墙的根部，使其牢固，确保剪力墙结构的横竖两大方向的抗剪力得以延伸，同时，也要凭借运用此方式，来对应提升墙体结构、抗温应力，只有这样才能最大程度地抑制混凝土裂缝。其中需要重点关注的是：在设计剪力墙时，应合理地增设水平筋，尤其是特殊部位，例如：温度频繁变动、刚度变化明显等部位，以此来确保结构安全与整个建筑工程的结构牢固与稳定。

4.4结构平面的布局

高层建筑框架剪力墙的结构设计中，实际的结构体系相对复杂，而且很多结构都不太规则，个别建筑的结构设计也未能规则对称，因此，建筑结构平面局部设计方面，必须反复加以验算，在此基础上来设置剪力墙。同时，现实的布局与设计操作中，不仅要设计核心筒，也要科学地布设剪力墙，同时，必须切实地参照设计规范来把剪力墙设置于四周部位，这一过程中要确保其均匀性、匀称性，而且也要确保结构竖向构件水平位移、层间位移之比在1.4以下，以此来提升抗扭性能。

4.5优化连梁设计

现实的操作中，必须对连梁进行优化设计，具体包括非抗震设计、抗震设计，具体应根据高跨比数值来决定截面受剪承载力、配筋等，塑性调幅过程中，应参考下面的方法来加以设计：

第一，连梁刚度的设计。需要牢固把握好内力计算的初始阶段，做好对应的折减计算。

第二，计算连梁弯矩、剪力组合值内力，对这些关键数据、数值计算以后，再将这些数据和折减系数做乘积。

现实的设计中无论选择哪一设计方法，都必须集中分析连梁的弯矩、剪力设计值等，这些数值都要超过使用时期的现实值，而且也要将地震力的破坏作用纳入考虑范围，同时，也必须对连梁铰接部位加以处理。

4.6底部加强部位的合理设计

剪力墙设计中，需要根据剪力墙的类型来给出科学的设计，如果是普通类型的剪力墙，底部加强部位的取值范围十分关键，应达到转换层上方两层，同时，要在房屋高度的十分之一以下，应高出两层高度值;如果是底部附带转换层的建筑工程项目，剪力墙底部加强部位的高度则应按照两层高度以上，墙体墙肢整体高度的十分之一，双方之间的一个最大值来做出合理选择。需要关注的是：底部加强设计中，必须重点照顾到建筑物结构的整体抗震能力，也要深入分析建筑结构的承载能力。

4.7框支梁的设计

转换梁支托的顶部结构通常结构不规则，来自于上方结构的竖向、横向荷载都使得转换梁截面上的正应力、剪应力等较大，要想提升转换梁、支托上方结构的牢固度，就要确保转换梁构造达到理想的抗剪力、抗弯承载力、刚度延性等。转换梁截面通常可以由转换梁支托的上部结构按照简支状态来算得所傳输的竖向荷载带来的剪力，可以控制设计剪压比在0.07-0.1范围内，以此来科学地控制转换梁截面，从而达到理想的刚度、强度与延展性要求。

4.8转换层楼板的设计

对于高层建筑框支剪力墙结构来说，转换层属于明显的转折分区，而且上下楼层的结构内力也各自有分布，下楼层内，剪力结构受力一般施加于落地剪力墙，从而使得转换层楼板位置荷载的不均匀分配。所以，应根据剪力墙等效刚度比来科学分配剪力，从而预防设计误差。

5抗震设计的优化

参照相关的技术规程与相关规范，框支剪力墙结构的相关规定，此建筑物结构部分，其底部加强部位的剪力墙抗震等级等达到三级，框支框架部分达到二级，由于此项目转换层在三层，框支框架抗震等级则需要提高到一级水平。对此，建筑结构设计中必须确保转换层上端结构的剪力墙刚度性能都达到规定标准，而且也要适度地控制剪力墙自身重量，确保转换层上方构造性能合格，下方刚度性能等达到使用的需求，以此来切实提升剪力墙结构的延展性，具体则要从以下几大关键点做起：

（1）控制结构自重。优选质地较轻的隔墙材料，从而控制剪力墙结构的数量、尺寸与厚度，保证上方刚度处于合理范围。

（2）优化提升框支梁结构抗扭强度，适度地扩大转换层和相邻楼板的尺寸、厚度，也要增设更多的内部配筋，保证关键部位可以达到结构性能需求。

（3）扩大剪力墙截面尺寸，从而满足底部框架剪力墙抗剪刚度合格。

（4）增设底部的配筋率，从而让底部构造的抗力、延性等都符合相关的标准。

（5）框支柱上方的剪力墙构造，其里面的配筋一定要符合标准，而且要确保连接部位牢固、合格，达到一定的抗震性、延展性。

6结语

高层建筑框支剪力墙结构设计是整个结构设计中非常重要的环节，必须维持结构设计的优化，控制不规则问题，保证不同部分都能达到安全、牢固的效果，而且达到理想的抗震性能和标准，这就需要科学掌握设计理念，提高设计工作质量，从而确保建筑工程结构和质量。

参考文献

[1]GB50009-2012建筑结构荷载规范（2012版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]李国强.建筑结构抗震设计[M].中国建筑工业出版社，2014.

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4]李宏男著.结构多维抗震理论[M].科学出版社，2006.