文/ 唐光誠 中國建筑西南設計研究院 四川成都 610041
高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設計應用探討
文/ 唐光誠 中國建筑西南設計研究院 四川成都 610041
在高層建筑中框架剪力墻結(jié)構(gòu)是較為常見的結(jié)構(gòu)。它的應用范圍較為廣泛,不僅能夠使高層建筑更加穩(wěn)定,而且還能增強其防震功能。但在施工過程中則要根據(jù)工程的具體特點進行設計。本文主要從框架剪力墻結(jié)構(gòu)概述﹑高層建筑框架剪力墻設計及其應用以及對剪力墻結(jié)構(gòu)進行計算﹑設計﹑優(yōu)化的措施等方面對高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)的相關問題進行了探討。
高層建筑;框架剪力墻;結(jié)構(gòu)設計;應用
隨著我國城市可利用空間的不斷減少,人們建造了越來越多的高層建筑,以達到擴大使用空間的目的。面對傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)以及砌體結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出來的可利用空間不足以及建筑中存在的各種問題,使得人們加大了對高層建筑各種結(jié)構(gòu)形式進行研究的力度。目前高層建筑的結(jié)構(gòu)形式主要包括框架結(jié)構(gòu)﹑框架—剪力墻結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)等等。對于超高層建筑來說,還包括筒體結(jié)構(gòu)以及框架—筒體結(jié)構(gòu)等等。由于現(xiàn)代建筑的結(jié)構(gòu)越來越復雜,人工計算已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)設計及計算的需求,因此必須使用相關的工程軟件進行計算。在進行結(jié)構(gòu)設計時,首先要對結(jié)構(gòu)的概念進行設計,其次通過計算機軟件進行設計,最后對輸出數(shù)據(jù)進行分析。
框架剪力墻結(jié)構(gòu)也被稱為框剪結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要形式是將一定數(shù)量的剪力墻布置于框架結(jié)構(gòu)中,平面布置非常靈活,形成自由靈活的使用空間,且可用空間較大,從而滿足不同建筑對功能的要求。而且剪力墻的數(shù)量使得建筑有較大的側(cè)向剛度,增加了建筑的穩(wěn)定性,提高了其抗風能力以及抗震能力。
框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)這兩種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)組成的新的受力形式,因此它的框架以及剪力墻都和單純的框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)中的不同。在框剪結(jié)構(gòu)中,在建筑物的下部樓層,剪力墻的位移較小,和框架共同按照彎曲型曲線進行變形,而大部分水平力由剪力墻承受;在上部樓層則剛好相反,剪力墻位移較大,有外側(cè)的趨勢,而框架的趨勢則是內(nèi)收,框架和剪力墻按照剪切型曲線進行變形??蚣懿坏袚夂奢d產(chǎn)生的水平力,而且還要承受將剪力墻拉回的附加水平力。而剪力墻則不用承受荷載產(chǎn)生的水平力,而且還要承受負剪力。
由于高層建筑的結(jié)構(gòu)較為特殊,因此不但要保證建筑的可用空間,而且要保證建筑的穩(wěn)定性以及防震抗災能力。而框架結(jié)構(gòu)就是一種穩(wěn)定性較強且施工程序較為簡單的結(jié)構(gòu)。在高層建筑中進行框剪結(jié)構(gòu)的設計和應用時,應注意以下兩方面。
1.連梁的設計
連梁設計的主要問題是,首先,對混凝土材料的質(zhì)量要求較高。連梁的設計及施工質(zhì)量對整個框架結(jié)構(gòu)的影響是比較大的,因此必須選擇質(zhì)量較高的混凝土材料。也就是說,要想使框剪結(jié)構(gòu)的性能達到最佳,就必須對混凝土材料的質(zhì)量進行嚴格控制。其次,控制剪力墻洞口寬度以及連梁高度。在連梁設計中,剪力墻洞口寬度是非常關鍵的環(huán)節(jié)。而且還要以剛度需求為依據(jù),對設計標準進行提升。一般情況下,二者之間成反比關系。在連梁高度較低的情況下,洞口寬度就會較大。但只有在二者共同作用的情況下,建筑的整體抗震功能才能提高。再次,適當折減連梁的剛度,目的是降低裂縫出現(xiàn)的可能性。進行折減時,要從連梁的設計階段開始,對每個參數(shù)的技術(shù)以及剛度問題進行計算。最后,對剪力墻的厚度進行不斷調(diào)整。當對剪力墻的厚度進行調(diào)整時,也必須根據(jù)調(diào)整幅度對連梁進行調(diào)整??偠灾?,在進行連梁設計時,需要對諸多問題進行考慮,使得剪力墻的結(jié)構(gòu)能夠得到保證,從而為后續(xù)工作奠定基礎。
2.墻肢的設計
首先,對墻肢厚度進行控制。墻肢的厚度能夠為剪力墻結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生較大影響,因此必須對其進行控制。其次,剪力墻的結(jié)構(gòu)布置。采取雙向布置的方式,使得建筑物的空間設計更加科學合理。而且,為了滿足建筑物的防震性能,必須做到不將單向剪力墻設計應用于需要抗震設防的區(qū)域。此外,要保證剪力墻結(jié)構(gòu)平面的分布較為均勻,使得剛度中心和建筑的質(zhì)心相互重合或距離較近,從而達到減小扭轉(zhuǎn)效應的目的。
1.剪力墻結(jié)構(gòu)計算的優(yōu)化
對剪力墻結(jié)構(gòu)計算進行優(yōu)化,一方面要遵循樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則。在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩小于或等于40%的要求下,盡可能使所布置的剪力墻的數(shù)量較小。以大開間剪力墻布置方案為目標,使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度,使樓層的最小剪力系數(shù)接近規(guī)范限制,這樣就能有效減輕結(jié)構(gòu)的自重,使得地震對建筑物的破壞力減小,而且能夠降低工程施工成本。另一方面還要遵循樓層最大層間的最大位移與層高之比的調(diào)整原則。相關規(guī)范規(guī)定在計算多地震樓層作用時樓層的最大層間位移時,以樓間的彎曲變形為主,并將其計入扭曲變形的范圍,可不用扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形,因此應該盡可能的降低高層建筑的扭轉(zhuǎn)變形。但也不能僅以這些層間位移為依據(jù),還應該以其他數(shù)據(jù)為參考。
2.剪力墻結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化
一方面,剪力墻墻肢的截面應該簡單且規(guī)則。剪力墻的豎向剛度要做到均勻,門窗洞口應該做到上下對齊,使得墻肢和連梁較為明確。而且應力分布也要做到規(guī)則,要與當前應用較為廣泛的計算簡圖符合,保證設計結(jié)果的安全可靠。另一方面,剪力墻的特點是平面內(nèi)的剛度以及承重力都較大,而平面外的則都較小。因此應該對剪力墻平面外的彎矩進行控制,使得剪力墻平面外保持穩(wěn)定。
綜上所述,高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)的作用是非常明顯的,它一方面具有增大建筑物的可用空間,另一方面提高建筑物的穩(wěn)定性和防震抗災能力的優(yōu)勢,因此對建筑物的性能能夠產(chǎn)生重大影響。因此在現(xiàn)代城市的高層建筑中,要對框剪結(jié)構(gòu)進行有針對性的應用。而在框剪結(jié)構(gòu)的計算及設計過程當中,要對各項數(shù)據(jù)及技術(shù)進行嚴格把控,尤其是對可能會對建筑的性能產(chǎn)生重大影響的環(huán)節(jié),更是要多加計算和考慮,從而保證高層建筑的功能和性能都滿足人們的實際需要。
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