孫雪蘭

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類活動的需要,城市土地越來越緊張,高層及超高層建筑發(fā)展速度越來越快。一般的高層住宅多選用剪力墻結(jié)構(gòu),所以如何在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,使得高層結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理經(jīng)濟已成為當務(wù)之急。

1 高層建筑的概念設(shè)計

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)規(guī)定:高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)全部采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻較多時,應(yīng)布置筒體(或一般剪力墻),形成短肢剪力墻與筒體(或一般剪力墻)共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)計時,筒體和一般墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。一般認為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的40%～50%時屬于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能較差,經(jīng)濟指標不好。所以在實際工程中尤其是地震區(qū)盡可能避免采用。設(shè)計中應(yīng)體現(xiàn)使其結(jié)構(gòu)豎向和水平向具有合理的剛度及承載力的分布,盡可能將剪力墻的墻肢截面高度(至少保證一肢)做的比8倍墻厚稍大,符合一般剪力墻,剪力墻也不必按開間布置,兩間合并布置為大開間剪力墻,同時滿足豎向荷載傳遞的要求。剪力墻盡可能設(shè)計成“L”形、“T”形,有利于剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,同時能夠形成較好的側(cè)向剛度。在同樣滿足規(guī)范的各項指標的情況下,更能減輕結(jié)構(gòu)自重,減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件,有利于降低工程投資。根據(jù)工程經(jīng)驗,對于“L”形、“T”形剪力墻,當一個方向的墻符合一般墻要求時,另一個方向的墻肢不宜過短,較小的墻肢常常會出現(xiàn)較大的配筋,一般宜控制在1 m左右,使墻端暗柱配筋接近構(gòu)造配筋為宜。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)計算的基本假定

剪力墻結(jié)構(gòu)是指一個完全由剪力墻抵抗水平荷載,承受豎向荷載的結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好,剛度大,在水平荷載作用下側(cè)向變形小。其計算的基本假定:

1)剪力墻結(jié)構(gòu)中每一片墻可以抵抗自身平面內(nèi)的水平力,而在平面外的剛度很小,可以忽略,但也不是完全不考慮,而是將其作為受力方向剪力墻的翼緣來計算。2)樓板在自身平面內(nèi)的剛度可視為無限大,而在平面外的剛度很小,可以忽略。即各片剪力墻通過樓板互相聯(lián)系協(xié)同工作,使各榀剪力墻保持變形協(xié)調(diào)。3)不考慮剪力墻的軸向變形及基礎(chǔ)扭動影響。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計計算原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理,下面是對結(jié)構(gòu)設(shè)計中須重點關(guān)注的幾種技術(shù)指標的調(diào)整原則的淺析,若有不對之處,請廣大同行指正。

3.1 樓層最小剪力系數(shù)(剪重比)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不超過40%的前提下盡可能少布置剪力墻,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,使樓層最小剪力系數(shù)接近規(guī)范限值(不小于限值)。這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重,有效減小地震作用的輸入,同時降低工程造價。

3.2 樓層層間最大位移與層高之比(位移)的調(diào)整原則

規(guī)范規(guī)定多遇地震作用標準值產(chǎn)生的樓層最大的彈性層間位移在計算時,除以彎曲變形為主的高層建筑外,可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形,應(yīng)計入扭轉(zhuǎn)變形。由此可見,對于一般的高層建筑,重點是樓層間的剪切變形及扭轉(zhuǎn)變形。剪切變形的控制是以豎向構(gòu)件的多少來決定的,但豎向構(gòu)件足夠多(剪重比偏大)而布置不合理,則會造成扭轉(zhuǎn)變形過大,同樣不能滿足層間位移的要求。因此,對于高層建筑應(yīng)盡可能使扭轉(zhuǎn)變形最小,而不能僅根據(jù)層間位移不夠不加分析地增加豎向構(gòu)件的剛度。

3.3 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 Tt與平動為主的第一自振周期T1之比(周期比)的調(diào)整原則

《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 Tt與平動為主的第一自振周期T1之比,小高層建筑不應(yīng)大于0.90。限定周期比是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理,使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

在實際工程設(shè)計中,應(yīng)將結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件盡可能沿建筑周邊布置,降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度,這樣既可以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,同時又能夠較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。

3.4 剪力墻連梁超限的調(diào)整原則

剪力墻連梁的跨高比不宜小于2.5,跨高比小于2.5的連梁很容易出現(xiàn)剪力和彎矩超過規(guī)范限值。

《高規(guī)》規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進行設(shè)計。即跨高比不小于5的連梁剛度不應(yīng)折減。而跨高比在5～6之間時,若連梁剛度不折減則也容易出現(xiàn)剪力或彎矩超限。本人認為該條文在實際工程設(shè)計中若能充分利用,則對節(jié)省工程造價也有非常明顯的影響,即將跨高比不大于5的連梁(剛度需折減)和減小剪力墻墻肢長度使連梁跨高比變?yōu)榇笥?的框架梁(剛度不折減),而后者的鋼筋及混凝土用量均小于前者,這對于節(jié)省工程投資具有很重要的意義。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體配筋

對于剪力墻結(jié)構(gòu)來說,剪力墻是面廣量大的,因此合理的控制剪力墻配筋對于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟性具有十分重要的作用。

剪力墻墻體配筋一般要求水平鋼筋放在外側(cè),豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計算及規(guī)范建議的最小配筋率即可。但地下部分墻體配筋則通過計算確定。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制,而由于簡化計算經(jīng)常由豎向筋控制,此種情況下為增大計算墻體有效高度,可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè),豎向鋼筋放在外側(cè)。地下部分墻體鋼筋保護層按《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.6條規(guī)定:迎水面保護層應(yīng)大于50 mm,且在保護層內(nèi)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》層50 mm計算,筆者認為是不妥當?shù)摹．敳扇×穗p向鋼筋網(wǎng)片后,計算保護層厚度至少可按30 mm來取值,這對節(jié)省墻體配筋效果相當明顯。

5 結(jié)語

高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)進行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計,在重視概念設(shè)計的前提下,認真調(diào)整各項技術(shù)參數(shù),使結(jié)構(gòu)達到相對較優(yōu)的結(jié)果。只有這樣,才能保證結(jié)構(gòu)安全合理又經(jīng)濟,這就要求我們在今后的設(shè)計中要不斷提高設(shè)計水平及改進設(shè)計理念。

[1] JGJ 3-2002,J 186-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 張建強,陳向東.高層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌風(fēng)險評估[J].山西建筑,2008,34(11):83-84.