高层剪力墙结构优化设计分析

2021-08-20黄治源广东中山建筑设计院股份有限公司

环球市场 2021年24期

黄治源广东中山建筑设计院股份有限公司

剪力墙结构具有强度大，侧向承载性强，减震性能高等特点，可以有效解决墙体结构不稳定的难题，现已被广泛应用于高层建筑物建设工程中。然而就当前施工技术来看，剪力墙施工作业中存在施工困难，材料消耗大等特点，所以对高层剪力墙现有的布局设置进行合理优化就尤为关键。在保障高层剪力墙结构符合施工要求的同时，对剪力墙结构进行合理的优化，可以有效加强建筑减震性能进行，提升建筑施工质量，减少施工成本。

一、剪力墙结构设计分析

由于高层住宅的房间面积通常比较小，且分隔墙使用频繁，使用剪力墙结构可以使建筑外观统一整齐，有效避免梁柱外漏现象；使室内环境更简洁，便于装修。然而结构设计往往在很多情况下无法做到结构平面布局完全合理，例如建筑平面、立面的要求以及考虑户主在使用中的舒适等情况，使得在设计中无法在边跨做剪力墙、剪力墙间不能建立梁联系等诸多影响结构布局的情况，造成施工技术人员在建模期间需多次调整计算，在满足相应规范的条件下找到更合理的结构模型方案。

二、控制剪力墙结构中的钢材含量

合理控制建筑物剪力墙结构的钢材含量，可以大幅节约施工成本，使建筑施工更加经济环保。所以在对建筑物的剪力墙布局结构进行相关设计时，应结合建筑物基本特点，对建筑物的剪力墙布局结构进行合理设计，并通过相关技术对设计方案的可行性进行计算，并对其进行适当的调整改良，在确保结构符合相关施工要求的同时，有效降低结构钢材含量，以节省建设施工的开销。

三、工程概况

采用剪力墙结构的某高层小区建筑，小区平面尺寸约为25.8 米×24.5 米，地上建筑有18 层，设计有1 层地下室，标准层高度为3 米，小区建筑总高度为58 米。同时该小区拥有三级安全建筑结构，四级抗震剪力墙结构，且属于7 度抗震设防强度的地区工程。该小区采用桩基础设计结构，为Ⅲ类建筑场地（见图1）。

图1 优化前结构平面布置图

四、剪力墙结构优化设计

结合小区实际情况，并通过对模型配筋等进行具体分析，为了提高高层剪力墙结构经济性，应缩短部分较长的剪力墙，然而经计算对比原方案发现柱子配筋率增大，且局部位移比超限。此时应及时对施工设计方案进行调整，并对剪力墙布局结构进行相应的内力探讨。因短肢墙最小配筋率大，经济性差，首先去除短肢墙；其次，由于超长剪力墙刚度过大，其余的剪力墙承受的剪力就会很小，所以分割超长墙，同时尽量保证墙柱间能有梁拉结，使结构传力更合理。重新计算一次，再分析模型中刚心与重心，判断出平面上部刚度允许降低，然而从结构布局整体进行观察，可以看出原结构顶上六条剪力墙通过平面外的传力形式抵抗水平方向的外力变形；因建筑立面要求使用大飘窗，故增加水平向的墙长已不可行，此时发现仅可增加左右两边小房间处剪力墙水平向的墙翼长度，通过墙体开洞预留出窗位，改变结构布置与缩短对应剪力墙长度，再复核模型后，柱子配筋率增大，且局部位移比超限问题得到了解决。此优化前后对比，总剪力墙长度缩短了近十米，为优化后总剪力墙长度的约15%（见图2）。

图2 优化后结构平面布置图

该优化方案结合小区具体情况及剪力墙布局结构特点，以设计均匀连续且对称的剪力墙结构为原则，通过增长局部剪力墙墙体及边缘长度、增加高层剪力墙周围部分结构的强度和刚度等方式，极大地增强了剪力墙的减震强度和侧向抗风刚度。由于部分高层剪力墙存在墙体形状不平整、承受压力不平衡、具有较大扭转效应等现象，因此该方案通过对高层剪力墙周边部分墙体结构进行改良，保证剪力墙结构拥有符合建筑施工要求的承压能力。不过值得注意的是该方案无法完全发挥高层剪力墙的结构性能，所以从经济节能的角度，应进一步优化该剪力墙结构。适当弱化剪力墙结构内部墙体，并且保证结构的稳固性，可以有效节约成本。通过缩减内置剪力墙长度、去除电梯井筒附近多余墙体的方法，可以使剪力墙布局结构设计的受力大小更合理，保证高层剪力墙结构的相关性能得到有效发挥，并且节约大量剪力墙建设材料。不过该优化方案在一定程度上使高层剪力墙结构刚度变低，因此需要严格控制高层剪力墙结构性能指标符合建筑施工要求。在上述高层剪力墙结构优化的基础上，可根据剪力墙的洞口率、墙体厚度、混凝土等级等相关参数对合理改善设计方案。在尽量不影响高层剪力墙结构侧向抗风刚度的情况下，根据建筑结构特点，适当增加剪刀墙的洞口率，可以节省一定的建筑材料，节约成本。值得注意的是，在进行结构设计优化时，如果不对洞口率进行科学合理的计算，可能导致高层剪力墙结构的结构周期及位移增大，将在一定程度上影响高层剪力墙结构的侧向抗风刚度，如果高层剪力墙结构的洞口率大于承载负荷，将大幅降低结构的侧向抗风刚度，无法保证建筑的稳定性。施工单位应通过合理降低高层剪力墙结构墙体厚度的方法，来减少结构周期和最大层间位移角，增加剪力墙结构的侧向抗风刚度，维持结构稳固。在进行高层剪力墙结构优化设计时，须充分考虑以上方案在实际施工中的可实施性，通过科学合理的计算方法，对高层剪力墙结构进行合理优化，减缓剪力墙结构改变引起的地震剪力变化，保证结构的稳固。