程家魁

摘要：在當(dāng)前高層建筑體系的構(gòu)建過(guò)程當(dāng)中，剪力墻結(jié)構(gòu)是極為普遍的設(shè)計(jì)形式，剪力墻的側(cè)向剛度相對(duì)較大，且其抗震性相對(duì)較好，在民用住宅的建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中有著極為普遍的應(yīng)用，基于上述角度，對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的優(yōu)化，提高剪力墻布置的合理，充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑;抗震結(jié)構(gòu);剪力墻;優(yōu)化;

引言

在當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，住宅產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃的發(fā)展，其中采用剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅已經(jīng)占據(jù)住宅項(xiàng)目的90%左右。根據(jù)完成的項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻的工程量占據(jù)一次結(jié)構(gòu)土建工程量的16%～38%，高度越高，烈度越大，剪力墻的占比越大，故如何把剪力墻設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)、合理，是一個(gè)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)劣的重要考量指標(biāo)，也有必要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻進(jìn)行深度的研究，進(jìn)一步的提高剪力墻的安全性、經(jīng)濟(jì)性等。

1剪力墻結(jié)構(gòu)的布置原則

剪力墻的特點(diǎn)是截面高度很大，厚度相對(duì)較小，故剪力墻的面內(nèi)剛度很大，面外剛度很小，在設(shè)計(jì)或計(jì)算中，通常忽略剪力墻的面外剛度。受建筑布局、立面的影響，剪力墻的墻肢長(zhǎng)度、墻體厚度、截面形狀、開(kāi)洞等讓剪力墻的形式變化多端，受力狀況更加復(fù)雜，如何發(fā)揮剪力墻的優(yōu)勢(shì)，避免其短處，是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主要從以下幾個(gè)方面優(yōu)化剪力墻的布置：

0.1雙向布置，剛度盡量接近

在剪力墻的布置過(guò)程中，由于不考慮剪力墻的面外剛度，應(yīng)根據(jù)建筑平面的特點(diǎn)，在東西向和南北向均設(shè)置適量的剪力墻，并使得兩個(gè)主軸方向的剛度盡量接近。

0.2強(qiáng)周邊弱中間

對(duì)矩形平面，在滿足中間墻肢軸壓比限值的情況下，剪力墻盡量布置在周邊或外圍。當(dāng)周邊和外圍無(wú)法布置更多的剪力墻且結(jié)構(gòu)仍然有較大的扭轉(zhuǎn)時(shí)，可增加外圈連梁高度，保證結(jié)構(gòu)的第一、第二振型為平動(dòng)。剪力墻要在兩個(gè)主軸方向均勻、對(duì)稱布置，減小樓梯、電梯偏置帶來(lái)的偏心影響，盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度中心與形心的距離，以減少偏心帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)造成的造價(jià)。

對(duì)于住宅以大致的矩形平面為主，其他平面較少。對(duì)于圓形平面，剪力墻可以徑向、環(huán)向設(shè)置為宜，對(duì)于三角形平面可沿著三個(gè)主軸的方向設(shè)置剪力墻，布置的原則是盡量均勻、對(duì)稱。

0.3長(zhǎng)度、間距

由于不考慮剪力墻的面外剛度，且受建筑凈高要求的影響，面外梁高一般400～600mm，且受建筑使用的影響，常常無(wú)法設(shè)置扶壁柱以平衡剪力墻面外梁產(chǎn)生的彎矩，故剪力墻的間距不宜很大，不適合大空間的結(jié)構(gòu)，較適用于住宅、公寓等平面上可以布置較多墻體的結(jié)構(gòu)。在條件允許的情況下，應(yīng)盡量加大剪力墻的間距，并使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膫?cè)向剛度。

高寬比大于3的剪力墻往往具有較好的延性，其破壞形態(tài)一般為彎曲破壞。剪力墻的截面高度一般不宜大于8m，當(dāng)截面高度大于8m時(shí)，可在墻體中間開(kāi)洞口形成聯(lián)肢墻。采用跨高比不小于6的弱連梁連接各墻肢，這樣各墻肢相對(duì)獨(dú)立，受力較均勻，也更能充分發(fā)揮各墻肢的作用。

0.4洞口布置

布置門窗洞口時(shí)宜規(guī)則、上下對(duì)齊，均勻布置，盡量避免墻肢長(zhǎng)度差異很大。墻肢越長(zhǎng)，其剛度越大，吸收的地震力就越大。大震時(shí)，這些長(zhǎng)墻容易首先破壞，其他墻肢的配筋又不足，容易造成結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，對(duì)結(jié)構(gòu)整體不利。對(duì)于抗震等級(jí)為一～三級(jí)的剪力墻的底部加強(qiáng)部位不應(yīng)采用錯(cuò)洞墻。當(dāng)?shù)撞考訌?qiáng)部位以上錯(cuò)洞墻很難避免時(shí)，可采用有限元應(yīng)力分析，并加強(qiáng)錯(cuò)洞處的配筋構(gòu)造，且錯(cuò)開(kāi)的距離不宜小于2m。也可采用結(jié)構(gòu)上設(shè)置規(guī)則洞口，通過(guò)填充輕質(zhì)隔墻的方式形成錯(cuò)洞，以滿足建筑立面要求。

0.5短肢剪力墻、一字墻

短肢剪力墻布置靈活，自重較輕，對(duì)建筑的影響小，很受建筑專業(yè)的青睞，但是短肢剪力墻抗震性能較差，不宜布置過(guò)多。局部使用時(shí)，其墻肢厚度、軸壓比、配筋率、抗震等級(jí)等均應(yīng)有更嚴(yán)格的要求。

結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜減少一字墻的數(shù)量。特別是山墻，常常在墻平面外布置一些單側(cè)梁，造成墻平面外的彎矩較大，而一字墻的平面外穩(wěn)定性較差，對(duì)墻體不利，無(wú)法避免時(shí)應(yīng)采取一些措施，如設(shè)置端柱，釋放梁端彎矩等。

0.6豎向布置

剪力墻豎向宜連續(xù)，剪力墻厚度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)宜隨高度的增加逐步減少，避免在同一層同時(shí)改變墻厚和混凝土強(qiáng)度等級(jí)，以免剪力墻剛度突變。同時(shí)，截面和混凝土減少的幅度也不易過(guò)大，墻厚一般每次減少50mm，混凝土一般可減少一個(gè)等級(jí)，每5層左右改變一次為宜，避免改變頻繁造成的施工困難。

1剪力墻的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1底部加強(qiáng)部位的高度

高層建筑就像一個(gè)插入地表的懸臂構(gòu)件。在橫向水平力作用下，底部的彎矩是最大的，也是最可能出現(xiàn)塑性鉸的地方。底部鋼筋屈服后，由于鋼筋和混凝土的粘結(jié)力破壞，鋼筋的屈服范圍越來(lái)越大，最終形成一個(gè)區(qū)域。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)這個(gè)區(qū)域采取加強(qiáng)措施，也成為剪力墻的底部加強(qiáng)部位。塑性鉸區(qū)的長(zhǎng)度范圍一般小于或等于剪力墻的截面高度[1]。高規(guī)和抗規(guī)都對(duì)底部加強(qiáng)部位做出了規(guī)定，且考慮安全，都大于塑性鉸區(qū)的長(zhǎng)度。由于底部加強(qiáng)部位配筋要求較高，為節(jié)約成本，在設(shè)計(jì)時(shí)滿足規(guī)范的要求即可，不需要特意的提高底部加強(qiáng)部位的范圍。

2.2嵌固部位的選擇

對(duì)于高層結(jié)構(gòu)，一般設(shè)置一層或多層地下室。對(duì)于一層地下室，可選擇基礎(chǔ)頂作為嵌固端，若地下室相關(guān)范圍剛度較大時(shí)，如設(shè)置了人防墻或者地下室外墻較多時(shí)，容易滿足地下一層與首層側(cè)向剛度比不小于2（上?？挂?guī)要求1.5）的要求時(shí)，也可以選擇地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，避免為滿足嵌固端的構(gòu)造要求而增設(shè)較多的混凝土墻并加厚頂板，造成結(jié)構(gòu)成本的增加。對(duì)于多層地下室，一般可選擇地下室頂板作為嵌固部位，并應(yīng)滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求，約束邊緣構(gòu)件可由一層延伸至地下一層，地下二層及以下可設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，以減少構(gòu)件邊緣構(gòu)件的構(gòu)造配筋，節(jié)約工程造價(jià)。

2.3墻身配筋

墻體分布鋼筋的主要作用是提高墻體的受剪承載力，限制墻體斜裂縫的擴(kuò)展并防止發(fā)生脆性破壞。高規(guī)7.2.8～7.2.9條給出了墻身豎向分布筋的計(jì)算方法。從公式中可以看出，大偏壓時(shí)考慮少量豎向分布筋的貢獻(xiàn)，小偏壓時(shí)不考慮豎向分布筋的貢獻(xiàn)。墻體配筋率在0.1%～0.28%的墻體，不會(huì)立即發(fā)生剪切破壞，滿足規(guī)范要求的最小配筋率時(shí)，可以基本保證剪力墻出現(xiàn)裂縫后具有足夠的承載力和延性[2].文獻(xiàn)[3]試驗(yàn)表明，提高邊緣構(gòu)件的配筋率，可提高其承載力，裂縫也更均勻更密，剪切變形也更小，而墻身分布配筋率即使由0.23%提高到0.593%，其裂縫的分布情況并不會(huì)有明顯的改善。這些理論分析和震害也表明，墻身配筋在大多數(shù)情況下無(wú)法充分發(fā)揮其承載力，故規(guī)范對(duì)一～三級(jí)的構(gòu)造配筋率要求一致，對(duì)加強(qiáng)區(qū)和非加強(qiáng)區(qū)的墻身配筋率也沒(méi)有區(qū)別，只有底部加強(qiáng)區(qū)為部分框支抗震墻時(shí)，其配筋率才提高到0.30%。故墻身配筋率按高規(guī)或抗規(guī)要求設(shè)置即可，一般也無(wú)需加強(qiáng)，避免不必要的浪費(fèi)。

2.4墻身豎向鋼筋

對(duì)于剪力墻墻身的豎向鋼筋直徑，抗規(guī)規(guī)定豎向鋼筋的直徑不宜小于10mm，高規(guī)規(guī)定不應(yīng)小于8mm，并不作為強(qiáng)制性條文，這也是根據(jù)很多工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)院的建議制定的[4]。目前三級(jí)鋼的使用已經(jīng)成為主流，其強(qiáng)度高，硬度大，對(duì)層高不大的建筑，其間距通常取200mm，最小直徑8mm，僅需滿足最小配筋率，不必隨意提高其配筋量[5]。

結(jié)語(yǔ)

不同的結(jié)構(gòu)布置方案，對(duì)有關(guān)規(guī)范的不同解讀都會(huì)對(duì)建設(shè)成本有較大的影響，隨著建筑行業(yè)利潤(rùn)率的降低，如何在滿足建筑功能和安全的同時(shí)，降低工程造價(jià)已經(jīng)是很多房地產(chǎn)企業(yè)的迫切需求。研究如何做好建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，好鋼用在刀刃上，減少不必要的浪費(fèi)，是一件非常有意義的事情。

參考文獻(xiàn)

[1]李國(guó)勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與合理構(gòu)造.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]周獻(xiàn)祥. 品味鋼筋混凝土：設(shè)計(jì)常遇的混凝土結(jié)構(gòu)機(jī)制機(jī)理分析. 知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

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