楊建忠

(大同市二院建筑設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西大同 037008)

議高層剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

楊建忠

(大同市二院建筑設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西大同 037008)

結(jié)合工作經(jīng)驗，從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，結(jié)構(gòu)分析軟件、結(jié)構(gòu)剛度、材料選擇、荷載計算五方面，闡述了高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的注意事項及技術(shù)要點，旨在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計，剪力墻，荷載，抗震能力

0 引言

我國進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，社會的各個方面均取得了讓世界矚目的成績，在經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的背景推動下，城市的發(fā)展速度也越來越快了，以前在大城市能看到的高層建筑，如今在二三線城市也變得越來越普及，由于土地價格的盤升，一些縣級城市也發(fā)展了不少高層建筑，其中以用作商品住宅的高層剪力墻結(jié)構(gòu)居多。而這些商品住宅絕大多數(shù)都是由一些開發(fā)企業(yè)所開發(fā)，他們都在核算成本，追求利潤最大化，同時也給我們結(jié)構(gòu)工程師提出了許多經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。于是各地都出現(xiàn)限額設(shè)計包括限制混凝土用量、限制鋼筋含量，其中以鋼筋含量最為敏感。作為一名結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該與時俱進(jìn)，不斷學(xué)習(xí)，深入研究，及時了解我們國家及一些國際上先進(jìn)的做法來降低建筑的成本，而不能盲目地適應(yīng)市場的需求，隨便減少鋼筋的用量，減少混凝土的用量，這種做法是在降低建筑的安全度，同時也會給我們帶來許多隱患，它的后果是不堪設(shè)想的。

作為結(jié)構(gòu)工程師一定要做到概念明確、規(guī)范熟悉。在把握規(guī)范的情況下提出降低成本的措施才是我們結(jié)構(gòu)工程師的唯一出路。首先應(yīng)明確幾個概念:結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的目標(biāo)是結(jié)構(gòu)整體能耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)敏感的薄弱部位，多遇地震作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算、構(gòu)件設(shè)計并加以構(gòu)造措施?？拐鸾Y(jié)構(gòu)應(yīng)簡單、規(guī)則、對稱、均勻，結(jié)構(gòu)在平面上沿兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力，結(jié)構(gòu)的抗震能力則是結(jié)構(gòu)承載力及延性的綜合反映，建筑結(jié)構(gòu)是否具有耐震能力，主要取決于結(jié)構(gòu)所能吸收和消耗的地震能量，作為一個結(jié)構(gòu)工程師，首先應(yīng)根據(jù)建筑功能要求、地理環(huán)境條件(場地與地域)及所構(gòu)思的結(jié)構(gòu)總體系，心中應(yīng)有一個多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的理想剛度目標(biāo)，還應(yīng)在第一道防線屈服后有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御罕遇大地震。

大家知道我們結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是:安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工。安全是放在第一位，沒有安全，經(jīng)濟(jì)是無從談起的，不安全的結(jié)構(gòu)它的成本是最大的，結(jié)構(gòu)工程師是不能夠冒險的，是不能夠失敗的，當(dāng)然科學(xué)家是允許失敗的，因為我們做的是人命關(guān)天的事，我們要對人民的生命負(fù)責(zé)，有一定的安全度才能用于實際，才能付諸實施。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工，互相之間的關(guān)系是相輔相成的，需要我們結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)每一個工程的實際情況綜合分析、比較。下面就我們這幾年設(shè)計圖審上經(jīng)常遇到的問題談幾點看法。

1 重視結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計要在建筑方案設(shè)計時提前參與，不能在建筑方案確定后再談結(jié)構(gòu)方案及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，這就給結(jié)構(gòu)工程師造成了難度，因為前期方案可能已經(jīng)帶來好多不經(jīng)濟(jì)的因素，高層建筑應(yīng)注重概念設(shè)計，要重視結(jié)構(gòu)的選型和平面、立面布置的規(guī)則性，加強(qiáng)構(gòu)選措施，擇優(yōu)選用抗震抗風(fēng)性能好且結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系，概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)整體性能是決定高層建筑結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)性能的重要因素，結(jié)構(gòu)平面或豎向不規(guī)則，一來在現(xiàn)有設(shè)計水平和技術(shù)上難以保證結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)性能，二來勢必要采取措施保證結(jié)構(gòu)的性能，這些措施是需要成本和代價的。一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師要有抗震的概念和素質(zhì)，大家知道從抗震角度來講我們要求結(jié)構(gòu)簡單、規(guī)則、對稱，這樣的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)相對較少，結(jié)構(gòu)受力明確，傳力路線簡單直接，相對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力較小，配筋相對較小，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯好轉(zhuǎn)。這樣的結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)都是有保障的。

要善于優(yōu)化平面布局，大家知道建筑平面的規(guī)則性和結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性是不同的，一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)師能夠運用結(jié)構(gòu)手段把不規(guī)則的建筑平面優(yōu)化成規(guī)則的結(jié)構(gòu)平面，這些手段在我們高層剪力墻中就是合理布置非承重墻和輕質(zhì)板條墻，把不規(guī)則部分化為規(guī)則。

2 正確使用結(jié)構(gòu)分析軟件

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，逐漸應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，計算機(jī)的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)普遍，一些老工程師對計算機(jī)的不信任也慢慢地消失了，事實上只有借用計算機(jī)這樣的先進(jìn)手段才能算得清算得準(zhǔn)，才能更合理配置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，才能更有效地降低建筑成本。目前，采用計算機(jī)軟件進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計是相當(dāng)普遍的，但一些年輕的工程師往往是計算機(jī)或結(jié)構(gòu)軟件的附庸，人成了計算機(jī)的工具，應(yīng)用軟件的默認(rèn)的設(shè)置不加分析不加修改，便開始計算出結(jié)果了，這樣的工程師是不能設(shè)計出更經(jīng)濟(jì)更安全的建筑來的，要合理使用軟件，正確利用軟件我們必須了解軟件的應(yīng)用規(guī)則，深入了解軟件能做到的和不能做到的，有些人軟件算出來的不敢動，主要原因是不了解軟件的主要功能，有些功能軟件是有缺陷的，是需要我們結(jié)構(gòu)工程師來分析判斷的，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)以力學(xué)概念和豐富的的工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)整體和局部兩個方面對計算結(jié)果的合理性進(jìn)行判斷，確認(rèn)其可靠性后，方可用于工程設(shè)計?？傊痪湓?軟件是為人服務(wù)的，但人也要了解軟件的功能和適用性。

3 高層剪力墻要有合理的結(jié)構(gòu)剛度

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻是承受豎向荷載、水平荷載和風(fēng)荷載的主要受力構(gòu)件，所以剪力墻要有一定的數(shù)量，要有一定的剛度來滿足現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中在風(fēng)荷載或多遇地震作用下樓層層間位移角的限值(1/1 000)，但是剪力墻布置的太多，會給結(jié)構(gòu)帶來更大的地震力，反而更不經(jīng)濟(jì)，這個原理我們從現(xiàn)行抗震規(guī)范中地震影響系數(shù)的計算公式中可以看出，剪力墻太多則結(jié)構(gòu)剛度就增大，結(jié)構(gòu)自振周期就變小，地震力就變大。這就是說數(shù)量既要保證位移角的要求又不能太大導(dǎo)致地震力變大。我們在實際中所做的也就是減少墻的數(shù)量，而原建筑中的墻體改用剛度較小輕質(zhì)板條墻代替，樓板采用大板結(jié)構(gòu)，墻體的布置要盡量使用長墻，減少短肢墻的數(shù)量，因為短肢墻的延性不好，要改善它的延性必然要增加配筋率，增加建筑成本。而且短肢墻墻體裂縫較多，這種裂縫后期處理起來較麻煩，我們在實際的設(shè)計過程中也出現(xiàn)一種現(xiàn)象就是剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁很少甚至沒有，這種結(jié)構(gòu)雖然從結(jié)構(gòu)計算上看，剪力墻剛度不大，地震力不大，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性也很可觀，但是我們忽略了一個事實，我們現(xiàn)行抗震規(guī)范提倡的結(jié)構(gòu)要有多道防線，用以提高結(jié)構(gòu)的安全度。在剪力墻結(jié)構(gòu)中多道防線是通過連梁來實現(xiàn)的，在剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁作為第一道防線，在大地震中是允許破壞的，連梁的破壞吸收了地震力，消耗了能量，剪力墻作為第二道防線繼續(xù)承受水平地震力。而這種結(jié)構(gòu)光有弱連梁沒有強(qiáng)連梁，也就是說它沒有耗能構(gòu)件，沒有形成多道防線的結(jié)構(gòu)，降低了結(jié)構(gòu)的贅余度，它的延性是相當(dāng)差的。也就是說與我們現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計原則是不相同的，是不值得提倡的。但也不要全為強(qiáng)連梁，因為在大地震下，連梁梁端開裂、出鉸乃至退出工作，結(jié)構(gòu)可能因剛度退化太多而抗側(cè)力不足導(dǎo)致破壞、倒塌。一個合理的結(jié)構(gòu)是既有強(qiáng)連梁又有弱連梁，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度適當(dāng)，承載能力適當(dāng)，耗能能力適當(dāng)。在地震作用下，首先是剪力墻之間線剛度相對較小的弱連梁進(jìn)入耗能狀態(tài)，大震下，弱連梁逐漸退出工作，僅作為連桿傳遞水平力，而線剛度較大的強(qiáng)連梁繼續(xù)耗能，實現(xiàn)“強(qiáng)弱適當(dāng)，多道防線”，從而使得結(jié)構(gòu)具有較高的延性性能。

連梁在剪力墻結(jié)構(gòu)中扮演重要角色，連梁是剪力墻剛度的調(diào)節(jié)器，我們明確連梁在地震中是破壞的，所以在計算中要折減連梁的剛度，但是不能折減的太多，以致在小震或風(fēng)荷載在平時荷載作用下破壞，這一點也是需要明確的。

4 合理選用材料

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，材料用得最多的是混凝土和鋼筋，混凝土強(qiáng)度不要太低，低強(qiáng)度等級的混凝土是不經(jīng)濟(jì)的，但也不要使用太高強(qiáng)度的混凝土，因為高強(qiáng)度混凝土具有脆性性質(zhì)，且隨強(qiáng)度等級的增高而增加，同時高強(qiáng)度混凝土因側(cè)向變形系數(shù)過小而使箍筋對它的約束效果受到一定的削弱，所以規(guī)范對不同設(shè)防烈度，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級作了上限限值?；炷翉?qiáng)度根據(jù)建筑的層數(shù)選用C30～C50之間的值。這是墻柱承重構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度，而樓板的混凝土強(qiáng)度等級不要選的太高，因為混凝土強(qiáng)度等級高，水泥用量則大，混凝土硬化過程中水化熱大，收縮大，易產(chǎn)生收縮裂縫。

鋼筋的經(jīng)濟(jì)適用，不是說鋼筋的實際價格是多少而是強(qiáng)度價格比也就是說每元錢所購買單位鋼筋的強(qiáng)度，強(qiáng)度價格比高則其鋼筋的經(jīng)濟(jì)性能好，構(gòu)件的配筋率低，鋼筋用量自然就降下來了，方便施工，施工成本降低，現(xiàn)在我們的市場人工費很高，用量少了，鋼筋的運輸、加工費用就相應(yīng)降低。盡量選用HRB400級以上的鋼筋，不選用HRB335級鋼，少選用HPB300級鋼筋。

5 準(zhǔn)確合理計算荷載

要想設(shè)計經(jīng)濟(jì)合理的建筑，結(jié)構(gòu)荷載必須輸入正確、準(zhǔn)確，不無理由的放大鋼筋用量，做到心里有數(shù)，對我們了解或熟知的部位可以不留任何余量，而對我們不了解的或者說未來運營不是很清楚的地方適當(dāng)留有余量。

綜上所述，要想設(shè)計一座經(jīng)濟(jì)合理的建筑，必須概念清楚，要有良好抗震素質(zhì)，在我們的心里要有一個理想的剛度目標(biāo)，善于運用先進(jìn)計算軟件，選用合理的計算模型來實現(xiàn)，要善于優(yōu)化布局，選用性價比高的材料。結(jié)構(gòu)工程師必須與時俱進(jìn)，努力鉆研，善于運用新的工藝新的措施來處理結(jié)構(gòu)設(shè)計中面臨的問題，也就是說創(chuàng)新是結(jié)構(gòu)工程師的唯一出路。

［1］GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2008.

［3］張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計釋疑及工程實例［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

On money-savingness of high-rise shearing wall structure

Yang Jianzhong
(No.2 Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd in Datong，Datong 037008，China)

Combining with the work experience，the paper illustrates the precautions and technical points in the structural design for the high-rise shearing walls from the design of the structural scheme，structural analysis software，structural stiffness，materials selection，and loading calculation，so as to realize the structural design can be safe，applicable，economical and reasonable with the convenient construction.

structural design，shearing wall，loading，seismic capacity

TU973

:A

1009-6825(2016)36-0042-02

2016-10-17

楊建忠(1964-)，男，高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師