劉文軍

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與剪力墻設(shè)計(jì)探究

劉文軍

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院）

高層建筑是我國(guó)當(dāng)前最為主要的建筑形式之一，在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。本文結(jié)合高層建筑的結(jié)構(gòu)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)剪力墻設(shè)計(jì)提出了幾個(gè)問(wèn)題，同時(shí)分析了高層建筑結(jié)構(gòu)和各種體系相對(duì)應(yīng)的方法。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剪力墻設(shè)計(jì)

前言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平和工作節(jié)奏不斷加快，同時(shí)人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，使得人們住房和工作用房的壓力不斷增大。因此，越來(lái)越多的高層建筑拔地而起。在高層建筑的施工設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剪力墻設(shè)計(jì)具有十分重要的作用，直接關(guān)系到高層建筑的質(zhì)量和安全。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1水平荷載

在高層建筑中，建筑的自重與樓面使用荷載在豎構(gòu)件中引起的彎矩和軸力，只與建筑高度成正比。而水平荷載建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩及其在豎構(gòu)件中引起的軸力，與建筑高度的兩次方成正比。對(duì)于特定高度的高程建筑來(lái)說(shuō)，其豎向荷載力的數(shù)值基本上是固定的。而作為水平荷載和地震作用，隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化，其數(shù)值也會(huì)產(chǎn)生較大的變化。

1.2軸向變形

在高層建筑當(dāng)中，豎向荷載的數(shù)值往往比較大，可能會(huì)引起柱的大幅度軸向形變，進(jìn)而影響到連續(xù)梁彎矩，降低連續(xù)梁中間支座部位的負(fù)彎矩?cái)?shù)值，同時(shí)也會(huì)增加端支座負(fù)彎矩?cái)?shù)值和跨中正彎矩?cái)?shù)值[1]，如圖1所示。

圖1　柱軸向形變對(duì)高層建筑梁彎矩分部的影響

此外，還可能影響到預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度，需要計(jì)算出軸向形變的數(shù)值，并以來(lái)調(diào)整下料長(zhǎng)度。而且，還可能會(huì)影響到構(gòu)件的側(cè)移和剪力，相比于構(gòu)件豎向形變，將會(huì)對(duì)高層建筑的安全性造成影響。

1.3側(cè)移指標(biāo)

不同于普通多層建筑的是，高層建筑的結(jié)構(gòu)側(cè)移已經(jīng)成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的因素。隨著建筑物高度的增加，在水平荷載下，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越大的側(cè)移形變。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將水平荷載作用下的側(cè)移控制在一個(gè)相應(yīng)的限度之內(nèi)。

1.4結(jié)構(gòu)延性

與普通多層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)的柔性更大，因此在地震等外力的作用下，會(huì)產(chǎn)生更大的形變。在高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性形變階段之后，為了能夠使其仍然具有較強(qiáng)的形變能力，防止建筑結(jié)構(gòu)破壞或倒塌，應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中采取適當(dāng)?shù)拇胧?，確保高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，以增強(qiáng)高層建筑對(duì)抗外力的能力。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)分析

2.1彈性假定

在當(dāng)前的高層建筑施工過(guò)程當(dāng)中，主要是采用彈性計(jì)算方法來(lái)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。高層建筑在一般風(fēng)力或垂直荷載力的作用下，其建筑結(jié)構(gòu)通常都是處在彈性工作的狀態(tài)下，這種假定與實(shí)際的工作情況十分符合。但是，如果高層建筑受到強(qiáng)烈臺(tái)風(fēng)或地震外力影響的時(shí)候，其建筑結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生較大的位移，甚至出現(xiàn)裂縫，而此時(shí)高層建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)處在彈塑性工作的狀態(tài)下。在這一狀態(tài)下，如果仍然按照彈性方法對(duì)唯一荷載力進(jìn)行計(jì)算，則無(wú)法確切的反映出建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)前真實(shí)的工作狀態(tài)。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)按照彈塑性動(dòng)力分析的方法，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

2.2小變形假定

在各類高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，小變形假定是一種應(yīng)用十分廣泛的基本假定方法。但是，也有很多專家對(duì)幾何非線性的問(wèn)題進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為，如果定點(diǎn)水平位移和高層建筑高度之間的比值小于1：500的時(shí)候，幾何非線性問(wèn)題效應(yīng)所造成的影響就不能被忽略。

2.3剛性樓板假定

在當(dāng)前很多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的方法大多都是假定樓板在自身平面內(nèi)，具有無(wú)限大的剛度，而將平面外的剛度進(jìn)行了忽略。這種假定方法使得結(jié)構(gòu)位移的自由度大大降低，也使得相應(yīng)的計(jì)算方法得到了簡(jiǎn)化。同時(shí)，該假定方法也為空間薄壁桿件理論計(jì)算筒體結(jié)構(gòu)提供了良好的支持。在通常情況下，可以利用該假定方法來(lái)設(shè)計(jì)框架體系和剪力墻體系。但是，如果建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向剛度突變、樓板剛度比較小、主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過(guò)大、建筑層數(shù)較少等情況，樓板變形就會(huì)產(chǎn)生較大的影響。尤其是結(jié)構(gòu)底部和頂部各層位移和內(nèi)力，將會(huì)受到更大的影響[3]。

2.4計(jì)算圖形假定

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算圖形假定主要有三個(gè)方面。分別是一維協(xié)同分析、二維協(xié)同分析和三維空間分析。一維協(xié)同分析只考慮到了位移自由度方向上抗側(cè)力構(gòu)件的形變協(xié)調(diào)。二維協(xié)同分析雖然利用平面結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)待單榀抗側(cè)力構(gòu)件，但對(duì)樓面內(nèi)同層樓板上各榀的抗側(cè)力構(gòu)件協(xié)調(diào)性變進(jìn)行了考慮。同時(shí)，二維協(xié)同分析沒(méi)有考慮到樓面外公共節(jié)點(diǎn)抗側(cè)力構(gòu)件的位移協(xié)調(diào)。三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)都有6個(gè)自由度，如果根據(jù)拉索夫薄壁桿理論的分析，還應(yīng)當(dāng)截面翹曲考慮在桿端節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，就有7個(gè)自由度。

3　剪力墻設(shè)計(jì)

3.1剪力墻設(shè)計(jì)中的基本概念

剪力墻高寬尺寸較大，厚度較小，受力形態(tài)類似于柱，幾何特征類似于板。剪力墻是平面構(gòu)件，主要承受豎向壓力、彎矩、水平建立等。在實(shí)際工程當(dāng)中，剪力墻可以分為聯(lián)肢墻和整體墻兩種[4]。在實(shí)際設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)按照各型墻體不同的特點(diǎn)，及其不同的受力情況，同時(shí)與墻體內(nèi)力分布情況及其破壞形態(tài)等進(jìn)行結(jié)合，對(duì)配筋設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施進(jìn)行合理的考慮和安排。

3.2剪力墻的邊緣構(gòu)造

通過(guò)相關(guān)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)證明，矩形截面剪力墻與槽型或工字截面剪力墻相比，其延性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。通過(guò)計(jì)算和分析可以看出，在墻肢截面兩段增加翼緣，能夠使墻體的延性大大增強(qiáng)。因此，在矩形墻的兩端設(shè)置邊緣構(gòu)件，能夠極大的增強(qiáng)墻體的延性，還能夠避免剪力墻的水平剪切滑動(dòng)，提高其抗剪能力。在實(shí)際施工的過(guò)程中，按照受力情況和結(jié)構(gòu)類型，對(duì)于剪力墻兩端和洞口兩側(cè)的加強(qiáng)邊緣，可按照墻肢在重力荷載編制作用下，墻肢軸壓比的界限，以及加強(qiáng)部位的要求，將其分為構(gòu)造邊緣構(gòu)件和約束邊緣構(gòu)件[5]。

3.3剪力墻結(jié)構(gòu)厚度和鋼筋問(wèn)題

剪力墻的水平分布筋視為橫向抗剪，避免墻體出現(xiàn)斜裂縫之后，發(fā)生脆性剪切破壞。同時(shí)與溫度應(yīng)力進(jìn)行對(duì)抗，避免混凝土產(chǎn)生裂縫。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，如果建筑物高度和長(zhǎng)度較大，或是框剪結(jié)構(gòu)，那么應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加配筋，尤其是在剛度和溫度變化較為敏感的區(qū)域。

剪力墻的豎向鋼筋的作用是抗彎，在很多多層建筑或的高層建筑當(dāng)中，剪力墻配置的大多是構(gòu)造配筋。但是，在配筋時(shí)采用的配筋率，通常都將構(gòu)造邊緣構(gòu)件和約束邊緣構(gòu)建中的鋼筋進(jìn)行了刪除。

3.4剪力墻結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)問(wèn)題

剪力墻結(jié)構(gòu)具有加大的剛度，容易受到溫度變化的影響。而混凝土的徐變和收縮帶來(lái)的形變也較大。墻體對(duì)屋面和露面產(chǎn)生的約束也比較大。如果結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮變形，出現(xiàn)裂縫要更大一些。對(duì)于很多沒(méi)有超長(zhǎng)的剪力墻來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)裂縫主要就是由于以上的原因造成的。剪力墻結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用在公寓、商品房當(dāng)中，應(yīng)用情況較為復(fù)雜。如果人們購(gòu)買(mǎi)的房屋出現(xiàn)裂縫，雖然不會(huì)對(duì)房屋質(zhì)量安全產(chǎn)生影響，但是處理仍然較為困難，會(huì)造成較大的社會(huì)影響。

4　結(jié)論

相比于普通多層建筑來(lái)說(shuō)，高層建筑能夠容納更多人生活和辦公。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科技水平和經(jīng)濟(jì)水平也在不斷的提高，為高層建筑提供了基礎(chǔ)。而人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)，也帶來(lái)了更大的住房壓力。因此，近年來(lái)我國(guó)高層建筑的數(shù)量也在不斷的增加。高層建筑由于高度較高，因此質(zhì)量問(wèn)題更為關(guān)鍵。尤其是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剪力墻設(shè)計(jì)等方面，對(duì)于建筑的抗震性和穩(wěn)定性十分重要，直接關(guān)系到高層建筑的質(zhì)量安全。因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和剪力墻設(shè)計(jì)的研究，不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以確保高層建筑的質(zhì)量安全。

[1]宋建勛.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[D].河北工程大學(xué)，2013.

[2]李曉蕾.高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型與試驗(yàn)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2011.

[3]張博.高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2011.

[4]曹彬，李銘.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)分析[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，22：65.

[5]王昉.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探究[J].科技致富向?qū)В?014，20：282+284.

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1673-0038（2015）13-0033-02

2015-3-5