黃國維

浙江當(dāng)代發(fā)展建筑設(shè)計(jì)院有限公司 浙江杭州 310000

摘要：隨著高層化建筑應(yīng)用的普遍性，剪力墻在建筑業(yè)中的要求也越來越迫切，對質(zhì)量和性能方面提出了更高的要求。剪力墻結(jié)構(gòu)通過用鋼筋混凝土墻板代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，來承擔(dān)各類荷載的內(nèi)力，有效地控制結(jié)構(gòu)的水平力，在抗震方面起到了良好的作用。本文主要就剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、剪力墻結(jié)構(gòu)的基本原則

剪力墻又被稱為抗風(fēng)墻、抗震墻、結(jié)構(gòu)墻，既能夠承擔(dān)水平構(gòu)件傳來的豎向荷載，又能夠承擔(dān)風(fēng)力或地震作用傳來的水平地震作用，可以節(jié)約層高，空間利用比較好。剪力墻結(jié)構(gòu)主要分為：實(shí)體墻或者截面剪力墻、整體小開口剪力墻、雙肢或多肢剪力墻和壁式框架等，每一種剪力墻結(jié)構(gòu)都有不同的形式和作用。

由于剪力墻平面外承載力和剛度很小，而平面內(nèi)承載力和剛度則相對較大，要盡量避免平面外的搭接，因?yàn)樵诹号c剪力墻進(jìn)行連接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生平面外彎矩的現(xiàn)象，使剪力墻平面外的安全性受到威脅。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連梁跨高比小于2.5或者大于5的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)彎矩，剪力也會(huì)超過規(guī)定的限值，對工程造價(jià)產(chǎn)生重大的影響。

剪力墻的布置主要是雙向和多向的，應(yīng)該從整體出發(fā)，貫穿整個(gè)建筑物，在較長的剪力墻設(shè)計(jì)過程中，要將剪力墻平均分成若干段，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與長度之比不宜小于3，墻段長度不宜大于8米，充分地發(fā)揮墻體配筋的作用。采用增加與沿梁軸線垂直的墻肢或者壁柱，減少彎矩對墻體的影響，控制剪力墻的平面外彎矩，把剪力墻拉通對直，避免疊合錯(cuò)洞墻和錯(cuò)洞剪力墻的出現(xiàn)，避免小墻肢在洞口與墻邊的出現(xiàn)，增強(qiáng)抗震的能力。

二、剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

剪力墻長度和寬度尺寸與其厚度相比比較大，根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)的要求不同，使用的設(shè)計(jì)長度與厚度則不同。一方面是墻肢的長度，剪力墻墻肢長度即為墻體截面高度，其長度不應(yīng)超過8m。確保剪力墻結(jié)構(gòu)的延性是設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。若要是避免脆性的剪切破壞，可將剪力墻設(shè)計(jì)成高寬比大于3的細(xì)高剪力墻結(jié)構(gòu)。但有時(shí)由于墻體本身長度很大，要想保證比值大于3，就可以采用開洞的方法將其變?yōu)榫鶆虻倪B肢體墻，而其洞口采用約束彎矩比較小的弱連梁的效果較好。另一方面是剪力墻墻肢的厚度，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了剪力墻的最小厚度，以保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性。住宅建筑填充墻厚一般為200mm，相應(yīng)剪力墻墻厚也取為200mm。對于無地下室的高層建筑，為避免發(fā)生墻厚大于填充厚度的情況，在布置剪力墻時(shí)，應(yīng)結(jié)合建筑平面，盡量避免使用一字形剪力墻，而采用L、T、Z、十字形等截面形式。

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中相關(guān)規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，重力荷載代表值作用下，一、二、三級剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過表7.2.13的限值，若一、二、三級剪力墻底層墻肢截面的軸壓比超過表7.2.14的規(guī)定值時(shí)，以及部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻，應(yīng)在底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層根據(jù)規(guī)范設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁為連梁，水平荷載作用下，墻肢如果發(fā)生彎曲變形，就會(huì)導(dǎo)致連梁產(chǎn)生內(nèi)力，進(jìn)而約束墻肢，減少墻肢的變形，改善其受力的狀態(tài)。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常會(huì)出現(xiàn)連梁超筋的問題，可以通過減小連梁的截面高度、調(diào)整塑形方面的處理、放棄對連梁的使用等諸多方面來進(jìn)行解決。

三、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠在保證安全性的前提下，有效降低工程成本，在剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需針對工程的特點(diǎn)，分析其中存在的主要問題，對其結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。以下以某工程為例，對剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具體措施進(jìn)行分析。

1、工程概況

某高層商住樓，地下兩層，地上進(jìn)31層，標(biāo)準(zhǔn)層高度為3.0m，建筑總高度為98.10m，總建筑面積約為2萬m2，抗震設(shè)防烈度Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，Ⅱ類場地，特征周期為0.55S，剪力墻抗震等級為一級，混凝土強(qiáng)度為C40～C25，采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，墻肢底部加強(qiáng)部位寬350mm，以上逐步遞增至200mm，通過分析SATWE計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剪力墻的利用率較低，低層墻肢軸壓比在0.37～0.43之間，結(jié)構(gòu)位移較好，控制在1.2以內(nèi)，且結(jié)構(gòu)周期、位移角較小，整體偏剛。

（1）一般優(yōu)化措施

剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要可分為剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算方面的優(yōu)化，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要注重設(shè)計(jì)方面，也要把計(jì)算列為其中重要的部分。

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)注重抗震的作用，盡量避免單向布置，按照雙向布置的原則，使受力方向的抗側(cè)剛度逐漸接近，形成一個(gè)良好的空間結(jié)構(gòu)。利用空間的充足性，減輕結(jié)構(gòu)的重量。剪力墻的門窗洞口要成列布置，墻肢截面簡單，與連梁分布規(guī)則，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)洞或者疊合錯(cuò)洞的情況下，腔內(nèi)的配筋要形成框架的形式。由于剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度受布置結(jié)構(gòu)影響較大，如果出現(xiàn)突變的情況，對抗震非常不利，在對剪力墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要堅(jiān)持從上到下連續(xù)布置的原則，改變墻體的厚度和混凝土的強(qiáng)度等級，減小側(cè)向沿高的高度；站在多種角度，從多方面出發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，注重和考慮抗震等級平均軸壓比帶來的影響及其穩(wěn)定性的相關(guān)要求。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算方面進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則、連梁超出限值的調(diào)整原則、樓層最大位移和層高之比的調(diào)整原則、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期和以平動(dòng)為主的第一自振周期之間的比例調(diào)整原則，使計(jì)算結(jié)果無限地接近規(guī)范值。

3、具體優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

針對本工程剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，采取的具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括：

（1）主體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度

在高層建筑單位建筑面積結(jié)構(gòu)材料用量中，房屋層數(shù)與用于承擔(dān)重力荷載的結(jié)構(gòu)材料用量與成正比例，而用于抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)材料數(shù)量，則以建筑層數(shù)的二次方的關(guān)系急劇增加，所以參考傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高層建筑的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)能否通過規(guī)范要求，抗側(cè)剛度起著決定性的作用。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度的計(jì)算確定，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中是十分重要的，它是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中最重要的基礎(chǔ)核心工作。優(yōu)化剪力墻抗側(cè)剛度的常用措施有改變剪力墻的截面尺寸、調(diào)整剪力墻的混凝土強(qiáng)度等，在建筑高度及豎向荷載已知的情況下，剪力墻高寬比比較大， 而剪切變形的影響又比較小時(shí)，可取剪力墻的彎曲剛度作為設(shè)計(jì)變量，建立剪力墻抗側(cè)剛度優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）地震作用：

當(dāng)前，一般高層建筑抗震作用的計(jì)算方法主要有振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法兩種，前者在國際上被普遍用來設(shè)計(jì)高層建筑的抗震性能，后者是在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，簡化計(jì)算擬靜力計(jì)算水平電算求解的一種方法，該方法方便運(yùn)算，但是造成的數(shù)據(jù)誤差較大，會(huì)造成結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量沿豎向變化較大甚至結(jié)構(gòu)明顯不對稱。但此方法被運(yùn)用于抗側(cè)剛度優(yōu)化分析時(shí)，可以簡化計(jì)算步驟，得出最佳抗側(cè)剛度數(shù)據(jù)后，借助電子運(yùn)算方法和振型分解反應(yīng)譜法，使水平地震作用及其影響都能得出準(zhǔn)確結(jié)果。

（3）建筑結(jié)構(gòu)輕型化

目前我國剪力墻結(jié)構(gòu)體系高層建筑，混凝土及鋼材的強(qiáng)度等級一般不高，自重偏大，建筑結(jié)構(gòu)輕型化后，能夠節(jié)約建筑材料，減小結(jié)構(gòu)截面，還有利于抗震性能的結(jié)構(gòu)性改善，改變建筑在地震中的受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)輕型化的措施主要有：選用合理的樓蓋結(jié)構(gòu)形式，合理地確定樓蓋結(jié)構(gòu)的截面尺寸，有效減輕高層建筑的總重量；在滿足結(jié)構(gòu)層間側(cè)移、強(qiáng)度延性及頂點(diǎn)側(cè)移控制的基礎(chǔ)上，掌握好墻體的厚度；采用質(zhì)量較輕但強(qiáng)度較高的建筑材料，在保證墻體輕度之外，盡量減少建筑自重。

結(jié)語：

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使土地利用率大幅度提高，土地資源越來越貧乏，高層建筑成為建筑業(yè)發(fā)展的一種趨勢，剪力墻由此誕生。相對于其他建筑結(jié)構(gòu)而言，剪力墻外觀精美，經(jīng)濟(jì)適用，并且受到廣大開發(fā)商和業(yè)主的喜愛，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用越來越廣泛，經(jīng)濟(jì)發(fā)展刺激著人們的生活需求，剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)勢在必行。

參考文獻(xiàn)：

[1]李源新.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，（15）：44.