張亨通

（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230000）

高層建筑上部與地基應(yīng)力的連接較弱，所以當(dāng)建筑受到外部沖擊時，上部結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大的晃動，同時會承受風(fēng)力載荷，所以上部結(jié)構(gòu)很容易坍塌，對于居住在上部結(jié)構(gòu)的人來說將面臨更大的危險，即假設(shè)高層建筑遭受地震，其上部結(jié)構(gòu)塌陷速度、塌陷程度都遠(yuǎn)超下部結(jié)構(gòu)，因此高層建筑的抗震性必須滿足規(guī)范要求。而為了使高層建筑抗震性達標(biāo)，就必須做好剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，對其力學(xué)結(jié)構(gòu)、性能進行把控。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)受力特征

剪力墻結(jié)構(gòu)在整體上由橫向、縱向剪力墻以及樓蓋組成，其在遭受外力時，兩個剪力墻組成部分在內(nèi)外都會表現(xiàn)出極大的剛度，相應(yīng)墻基位移程度很小，說明剪力墻結(jié)構(gòu)在受力條件下具有高抗性特征。剪力墻的受力特征具有強大的適應(yīng)性，即其面對各種強大且無規(guī)則的外力影響時，上部結(jié)構(gòu)會隨著外力方向來變化，盡可能保障自身墻基的穩(wěn)定性，所以剪力墻結(jié)構(gòu)面對風(fēng)力載荷以及地震外力時，可以有效抵抗外力影響，且盡可能地延長結(jié)構(gòu)塌陷時間，尤其在樓梯間設(shè)置筒子形剪力墻，從而給高層人員逃生提供更多的時間。此外，剪力墻結(jié)構(gòu)無論設(shè)計細(xì)節(jié)如何調(diào)整，其都需要遵循緊湊結(jié)構(gòu)的原則，圖1為某小區(qū)34層高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置圖，圖1中可見剪力墻結(jié)構(gòu)非常緊湊，并且在交通核附近設(shè)置較多剪力墻結(jié)構(gòu)，俗稱“避難島”方便人員進行逃生[1]。

圖1 高層建筑剪力墻平面布置圖

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

2.1 抗震原則要求

抗震水平是評估高層建筑質(zhì)量的核心指標(biāo)，而剪力墻結(jié)構(gòu)就是決定抗震水平的主要因素，所以在設(shè)計當(dāng)中，必須保障剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性表現(xiàn)達標(biāo)。具體來說，根據(jù)國家規(guī)范要求，高層建筑抗震水平必須超過地區(qū)抗震等級一級，因為地震等級無法被控制，且存在明顯動態(tài)性，所以這一要求可以起到“防患于未然”的作用，而剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性由其鋼筋混凝土墻板、抗彎性等組成，即剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其主要采用鋼筋混凝土墻板來替代常規(guī)建筑的梁柱，可以有效承載因外力帶來的內(nèi)部應(yīng)力，而抗彎性也與常規(guī)建筑不同，其需要相對減弱，實現(xiàn)高適應(yīng)力[2]。

2.2 質(zhì)量原則要求

剪力墻結(jié)構(gòu)作為抗震結(jié)構(gòu)，其本身力學(xué)結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)是十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模荒艹霈F(xiàn)太多誤差，而這些要求是評估剪力墻結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量的重要指標(biāo)，在設(shè)計工作當(dāng)中必須遵循。具體來說，剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量由材料質(zhì)量、工藝來決定，對此設(shè)計人員要依照抗震設(shè)計要求，對材料質(zhì)量、工藝指標(biāo)進行選擇與設(shè)定。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 水平荷載

在設(shè)計工作當(dāng)中，為了保障剪力墻結(jié)構(gòu)水平載荷達標(biāo)，要先設(shè)計初步結(jié)構(gòu)圖像，相應(yīng)依照自重和其他豎向荷載的關(guān)系，進行比值計算，根據(jù)計算結(jié)果可以看到剪力墻整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的力學(xué)結(jié)構(gòu)分布，相應(yīng)推斷出當(dāng)前設(shè)計結(jié)構(gòu)中的水平荷載是否平衡且達標(biāo)。

3.2 軸向變形

在高層建筑的應(yīng)用當(dāng)中，其剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向自重是產(chǎn)生荷載的重要因素，自重越大則荷載越大。在此條件下，當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)豎向自重過于大，就會給下方地面造成巨大壓力，這種壓力或許不會直接導(dǎo)致地面塌陷，但很容易引起軸向變形現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)生此類現(xiàn)象時，則說明地面承載能力在衰減，同時會使得剪力墻結(jié)構(gòu)傾斜，可能引起墻體裂縫問題，所以在設(shè)計工作當(dāng)中，必須嚴(yán)格控制豎向自重，避免軸向變形的問題。

3.3 結(jié)構(gòu)延性

結(jié)構(gòu)延性是組成剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性的重要因素，即因為地震的破壞力極其強大，所以理論上，任何剪力墻結(jié)構(gòu)在此條件下，都不能保障完好無損，或多或少都會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，相應(yīng)如果剪力墻結(jié)構(gòu)不具備延性，則在變形條件下，很容易出現(xiàn)裂縫、缺損，隨后演化成坍塌，但如果具備良好延性，則說明結(jié)構(gòu)中存在容納變形率的空間，可以一定程度上抵消部分地震帶來的外力。由此可見，剪力墻結(jié)構(gòu)延續(xù)代表了結(jié)構(gòu)適應(yīng)力。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計缺點

綜上可見，剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑當(dāng)中的應(yīng)用表現(xiàn)良好，但結(jié)合國內(nèi)相關(guān)案例可見，該結(jié)構(gòu)還存在一定缺陷。

4.1 案例概況

某實例工程單位層高33.4 m，共分為12層，根據(jù)國家相關(guān)條例證實該工程為高層建筑。根據(jù)實例工程測試確認(rèn)，該工程7層以上的8.1 m出于高層建筑范圍，其承受的風(fēng)力載荷以及與地基力學(xué)關(guān)系都異于下部結(jié)構(gòu)，所以工程單位為了保障建筑質(zhì)量，將采用剪力墻結(jié)構(gòu)來進行建設(shè)，但建設(shè)當(dāng)中該工程發(fā)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)存在缺點，需要通過其他措施來進行優(yōu)化。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)缺點

根據(jù)案例表現(xiàn)以及理論得知，剪力墻結(jié)構(gòu)主要存在框架節(jié)點應(yīng)力過于集中、框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小以及施工復(fù)雜的缺點，這些缺點在實例當(dāng)中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為：框架節(jié)點集中于結(jié)構(gòu)中心2.0 m范圍內(nèi)，其他部分應(yīng)力較低；框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度為124.3 MPa，不滿足施工標(biāo)準(zhǔn)；大體構(gòu)件數(shù)量為54件，說明工藝較為煩瑣。性能分析上，該單位借助BiM技術(shù)構(gòu)建了剪力墻結(jié)構(gòu)模型，隨后通過仿真軟件構(gòu)建了仿真地震、風(fēng)力載荷環(huán)境，將模型分別放入兩個仿真環(huán)境當(dāng)中進行測試，結(jié)果顯示該剪力墻結(jié)構(gòu)在地震條件下，一共可支撐5.2 min，整體穩(wěn)定性良好，但當(dāng)其應(yīng)力集中點損壞或位移后，會瞬時間倒塌；在風(fēng)力載荷條件下，結(jié)構(gòu)體晃動幅度為2.1 ～2.3 mm，存在不穩(wěn)定表現(xiàn)。

4.3 實例剪力墻結(jié)構(gòu)缺點優(yōu)化方法

實例當(dāng)中，針對框架節(jié)點應(yīng)力過于集中問題，其在應(yīng)力集中點以外的范圍內(nèi)，增加了支撐結(jié)構(gòu)，使整個墻面受力平衡；針對框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度問題，主要通過材料性能來進行彌補，因為此類問題屬于剪力墻本質(zhì)缺陷，難以完全消除；針對施工復(fù)雜問題，實例工程采用的裝配式結(jié)構(gòu)施工方法，現(xiàn)在工廠內(nèi)完成構(gòu)件，隨后拼裝、加固，即可簡化施工步驟。

5 結(jié)語

本文主要對高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析，通過分析得到結(jié)論：剪力墻結(jié)構(gòu)對于高層建筑而言十分重要，其將決定高層建筑在地震、風(fēng)力荷載條件下的性能表現(xiàn)，因此在設(shè)計當(dāng)中要引起重視；對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原則、要點、重點進行了分析，介紹了各部分的內(nèi)容、要求、目的以及注意事項，可以保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量。