李駿如（重慶銀橋建筑設(shè)計(jì)有限公司　重慶市　400000）

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探析

李駿如
（重慶銀橋建筑設(shè)計(jì)有限公司重慶市400000）

本文結(jié)合高層建筑的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，論述了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，提出了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的優(yōu)化方法，結(jié)合工程實(shí)例，分析了剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。

高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

在經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，人們的生活需求不斷變化，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，高層和超高層建筑業(yè)隨之誕生，很大程度上反應(yīng)出國(guó)家建筑科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高[1]。人口密度不斷增長(zhǎng)的過(guò)程中，高層建筑成為當(dāng)今城市建設(shè)的主要趨勢(shì)，也代表著城市現(xiàn)代化水平。為了提高高層建筑的抗震性和經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者開展了對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的研究。針對(duì)同一建筑，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的差異會(huì)由于結(jié)構(gòu)墻體布置的不同而不同，主要影響因素為混凝土用量和鋼材量。

1　高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

高層建筑需要保持較高的穩(wěn)定性，在承受梁內(nèi)所有重力載荷的同時(shí)，必須要承受外界風(fēng)力和地震的影響，避免出現(xiàn)過(guò)大的振動(dòng)和水平位移，保證建筑內(nèi)的裝飾和填充墻等完好無(wú)損，為居住者提供舒適安全的環(huán)境。

高層建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)承受水平和垂直載荷，在低層結(jié)構(gòu)中，水平位置的載荷較小，通常情況下可以忽略不計(jì)。在高層結(jié)構(gòu)中，水平位置的載荷和地震都會(huì)對(duì)建筑造成影響，成為共同的控制因素。在建筑物高度不斷增加的同時(shí)，水平載荷的位移也將發(fā)生變化，因此在高層在高層建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須綜合考慮建筑的承載能力和抗側(cè)剛度，對(duì)水平位置的載荷進(jìn)行有效控制。在水平力作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)側(cè)向變形。剪力墻結(jié)構(gòu)在垂直方向上可以承受較大的載荷，在水平方向上也可以承受較大的載荷，整體性較高，側(cè)向剛度較大，在水平力作用下，發(fā)生的位移較小，在不采用梁柱等外凸裝置的情況下，提高了房?jī)?nèi)布局的合理性，但是無(wú)法提供更大的住宅空間，結(jié)構(gòu)延性存在一定的缺陷。

建筑物的地下室有多層時(shí)，需要采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)置科學(xué)的過(guò)渡層，保證框架-剪力墻結(jié)構(gòu)向剪力墻結(jié)構(gòu)良好過(guò)渡。

剪力墻結(jié)構(gòu)在水平方向和垂直方向上承受的載荷均較大，可以廣泛應(yīng)用于高層建筑，主要應(yīng)用于以小房間為主的住宅，例如賓館、公寓等。賓館中需要較大的空間時(shí)，將其設(shè)置在另外的建筑單元中。為了滿足不同方向水平力的要求，針對(duì)矩形平面，往往將剪力墻設(shè)置在縱橫兩個(gè)方向上，針對(duì)圓形平面，剪力墻設(shè)置在沿徑向位置和環(huán)向位置上，針對(duì)三角形平面，剪力墻結(jié)構(gòu)沿三個(gè)主軸方向設(shè)置[2]。

2　剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的優(yōu)化方法

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

剪力墻結(jié)構(gòu)中的空間結(jié)構(gòu)，一般沿主軸方向形成雙向布置，如果剪力墻有抗震需求，需要保證多個(gè)方向的布置，使多個(gè)方向上的抗側(cè)剛度相同，提高建筑物的空間工作性能。剪力墻具有較高的抗側(cè)剛度和承載力，為了充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的性能，減輕結(jié)構(gòu)重量，需要結(jié)合具體建筑增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，合理控制墻體的布置密度，保證墻體結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度。

在設(shè)計(jì)剪力墻墻肢截面的過(guò)程中，應(yīng)秉持一定的規(guī)則，豎向剛度保持均勻，剪力墻結(jié)構(gòu)的門窗洞口上下對(duì)其，在垂直方向上成列布置，保證墻肢和連梁的準(zhǔn)確性，另外，需要提高應(yīng)力分布的均勻性，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，提高設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證墻肢剛度相同，如果剪力墻結(jié)構(gòu)的洞口出現(xiàn)錯(cuò)?或者疊合的情況，必須將墻內(nèi)配筋設(shè)置成框架形式[3]。

如果剪力墻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，必須開設(shè)合適的洞口，將剪力墻分割成長(zhǎng)度均勻的墻段，利用弱連梁將不同墻段連接起來(lái)，為了避免剪力墻結(jié)構(gòu)引發(fā)剪切破壞，不同的獨(dú)立墻段的總高度必須為界面高度的2倍以上。在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果小墻肢截面的高度小于墻厚度的4倍，應(yīng)設(shè)置合理的框架柱，并對(duì)框架柱的加密區(qū)進(jìn)行全高加密。

由于剪力墻結(jié)構(gòu)平面內(nèi)具有較大的承載力和剛度，而平面外剛度和承載力較小，因此為了提高剪力墻結(jié)構(gòu)平面外的穩(wěn)定性，必須對(duì)剪力墻平面外的彎矩進(jìn)行控制。如果剪力墻結(jié)構(gòu)和平面外的樓面梁連接時(shí)，必須避免梁端彎矩對(duì)墻體造成的影響。

由于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度會(huì)受到剪力墻布置方式的影響，因此一般都會(huì)將剪力墻自下而上布置，同時(shí)在垂直方向山給改變墻體的厚度和混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，或者可以減少一部分墻肢，減小側(cè)向剛度。必須注意到剪力墻結(jié)構(gòu)如果沿垂直位置不連續(xù)，將導(dǎo)致剛度突變，影響建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果。

剪力墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，先結(jié)合實(shí)際工程對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，符合層間位移、周期比等指標(biāo)的要求，確定出剪力墻厚度，結(jié)合建筑的抗震需求，滿足結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求。

2.2計(jì)算優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，如果剪力墻就結(jié)構(gòu)的剛度較大，將不能滿足層間位移的要求，結(jié)合樓層的最小剪力系數(shù)，保證計(jì)算結(jié)果接近規(guī)定值?？刂坪媒Y(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的自振周期之比符合要求?？紤]地震影響的過(guò)程中，高層建筑豎向構(gòu)件的最大水平位移在樓層平均值的1.2倍以下，同時(shí)保證剪力墻連梁和底部加強(qiáng)區(qū)的軸壓比滿足要求。

在調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)的過(guò)程中，減少剪力墻的布置，保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度滿足要求，使樓層的最小建立系數(shù)達(dá)到規(guī)范限值。減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震的影響，降低工程造價(jià)。

在最大層間最大位移和層高之比調(diào)整的過(guò)程中，充分考慮樓間的彎曲變形，在高層建筑匯總盡可能將扭轉(zhuǎn)變形控制在最小，結(jié)合層間位移的特點(diǎn)，增強(qiáng)豎向構(gòu)件的剛度。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，不可盲目增加豎向構(gòu)件的剛度，必須注意實(shí)際結(jié)構(gòu)的剪重比，如果剪重比較大，必須先減小對(duì)應(yīng)一側(cè)的結(jié)構(gòu)剛度，減小地震作用的同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)的整體效果[4]。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1工程概況

某高層建筑總高度52.6m，共18層，層高2.9m，建筑面積6500m2，基本地震加速度值為0.20g，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度，基本風(fēng)壓為0.55kN/m2，采用二級(jí)剪力墻結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30~ C25，鋼筋梁強(qiáng)度HRB400，鋼筋板強(qiáng)度HPB235。

3.2結(jié)構(gòu)布置

原結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻結(jié)構(gòu)的布置如圖1所示。

圖1?。▋?yōu)化前）剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖

未優(yōu)化前采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，墻肢底部加強(qiáng)部位寬度為250mm，底部以上寬度200mm，利用SATWE方法計(jì)算后發(fā)現(xiàn)該剪力墻的利用率較低，底層墻肢軸壓比為0.35~0.40之間，將結(jié)構(gòu)位移控制在1.2以內(nèi)，結(jié)構(gòu)周期和位移角較小，整體剛度較強(qiáng)。結(jié)合實(shí)際工程的特點(diǎn)，對(duì)主要的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后的剪力墻結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2?。▋?yōu)化后）剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖

優(yōu)化前和優(yōu)化后的剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)比后可以看出，原結(jié)構(gòu)攻讀較大，層間位移不足，優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)剛度適宜，分布也較為均勻，位移角和位移比均有所增加，在結(jié)構(gòu)布置和墻肢長(zhǎng)度的調(diào)整過(guò)程中，將底層軸壓比控制在0.50以下，使得剪力墻成分發(fā)揮出較高的承載力和剛度，優(yōu)化后的成根本明顯低于優(yōu)化前。

4　結(jié)束語(yǔ)

剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑的應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)階段的成本控制影響著后期的施工成本，項(xiàng)目設(shè)計(jì)一般都存在較大的優(yōu)化空間，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以節(jié)約能源，還可以提高建筑物本身的性能。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以降低成本造價(jià)，增大建筑的應(yīng)用空間，值得在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中推廣。

[1]王艷軍.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析[J].山西建筑，2010，36（5）：73.

[2]黎星才.高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析[J].新建設(shè)：現(xiàn)代物業(yè)上旬刊，2011，12（8）：200.

[3]林小楊.淺談高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河南大學(xué)，2015，12（3）：74.

[4]石小燕.高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之探討[J].建筑科學(xué)，2012，28（7）：90.

TU973+.16

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1673-0038（2015）52-0107-02

2015-12-3

李駿如（1975-），男，工程師，大學(xué)本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。