高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

  一、高層住宅混凝土剪力墻布置方式、經(jīng)濟(jì)分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的合理選取

  1.高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻布置方式

  剪力墻結(jié)構(gòu)一般都是應(yīng)用于超高建筑和高層建筑，而在高層建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)位移是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要指標(biāo)。其中包括層間位移比和豎向?qū)娱g位移角。另外，伴隨著住宅建筑高度的不斷的增加，水平的荷載作用效應(yīng)起主要控制作用。而剪力墻在平面內(nèi)有很大側(cè)移剛度，所以剪力墻是承載著來自高層建筑的絕大部分的水平作用和水平剪力。

  在超高層建筑和高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度來控制結(jié)構(gòu)位移和層間位移角，而通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度來控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移。剪力墻結(jié)構(gòu)體系中結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大小是可以通過剪力墻的截面來控制，例如剪力墻布置較多時(shí)，相對(duì)應(yīng)的側(cè)向剛度大；剪力墻布置較少時(shí)相對(duì)應(yīng)的側(cè)向剛度相對(duì)較小。另外通過剪力墻在建筑平面中的布置位置調(diào)整，可以控制剪力墻的扭轉(zhuǎn)剛度從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、承載能力和剛度以及經(jīng)濟(jì)合理性的一種宏觀控制。假如剪力墻體在高層建筑物中有比較合理的截面和平面布置，就會(huì)形成一個(gè)能夠很好的抵抗墻體水平力的結(jié)構(gòu)體系，此時(shí)還能夠有效的分割空間，最大限度的滿足建筑使用功能。

  2.高層剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)分析

  剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，用鋼量較省。在高層住宅中，開間均較小，分隔墻較多，采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)可將承重墻減少，比較經(jīng)濟(jì)。剪力墻外觀整齊，沒有露梁、露柱現(xiàn)象，便于室內(nèi)布置。另外，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大，結(jié)構(gòu)周期小。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證剪力墻結(jié)構(gòu)滿足國(guó)家規(guī)范關(guān)于結(jié)構(gòu)水平位移和地震力的要求，做到安全適用，經(jīng)濟(jì)合理，就必須在實(shí)際工作中有所判斷，將結(jié)構(gòu)水平位移和地震力控制在合理的范圍內(nèi)，然后檢查結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和配筋。

  3.高層結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的合理選取

  （1）周期折減系數(shù)：

  填充墻較多時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)，取0.9～1.0；填充墻較少時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)，取1.0。填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)周期的影響與填充墻的類型、填充墻與主體結(jié)構(gòu)的位置等密切相關(guān)，以上數(shù)值填充墻按實(shí)心磚墻確定的，對(duì)其他各類填充墻（空心磚砌體、混凝土砌塊砌體等）可酌情調(diào)整確定。填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)周期的折減，實(shí)際上就是考慮填充墻剛度對(duì)主體結(jié)構(gòu)剛度的影響程度，主體結(jié)構(gòu)剛度愈大填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)周期影響越小，反之，則越大；填充墻的自身剛度越大，對(duì)主體結(jié)構(gòu)周期影響也越大，反之，則越小。

  （2）振型個(gè)數(shù)的確定：

  以保證振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%為前提。高層建筑地震作用振型數(shù)非耦聯(lián)時(shí)n≥9個(gè)，耦聯(lián)時(shí)n≥15個(gè)；對(duì)多塔結(jié)構(gòu)振型數(shù)n≥塔樓數(shù)量X 9。

  （3）連梁剛度折減系數(shù)：

  在內(nèi)力和位移的計(jì)算中，連梁剛度折減系數(shù)可取0.5；當(dāng)結(jié)構(gòu)位移由風(fēng)荷載控制時(shí)，連梁剛度折減系數(shù)宜不小于0.8。連梁常被稱為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的“保險(xiǎn)絲”，它可以起到耗散地震能量的作用，伴隨著連梁梁端產(chǎn)生塑性變形，結(jié)構(gòu)剛度退化，變形加大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)力重分布，剪力墻墻肢內(nèi)力加大。

  二、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)

  1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化增加合理性和安全性

  優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)受力均衡，技術(shù)應(yīng)用得當(dāng)，整體安全可靠，這樣設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)才能達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又合理的目的。

  從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體布局來看，在水平荷載作用下，剪力墻的暗柱配筋往往是構(gòu)造配筋，暗柱截面的確定與剪力墻的布置有密切的關(guān)系，而構(gòu)造配筋與暗柱截面又有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于剪力墻布置的差異性，一片剪力墻兩端暗柱的截面可能差6～10倍。配筋也相應(yīng)差6～10倍。而剪力墻在不同方向的水平荷載作用下是具有對(duì)稱性的。這樣設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)就會(huì)造成極大的浪費(fèi)。因此，首先合理的布置剪力墻，盡可能使之對(duì)稱布置，這樣即節(jié)省造價(jià)，又增加結(jié)構(gòu)的安全性。

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  2.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50011-2010》規(guī)定

  （1）側(cè)向剛度不規(guī)則。側(cè)向剛度小于相鄰層的70%，或小于其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%；除頂層或出屋面小建筑外，局部收進(jìn)水平向尺寸大于相鄰下一層的25%。

  （2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞。

  （3）樓層承載力突變?？箓?cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%。從而對(duì)剪力墻豎向布置做了間接的規(guī)定。保持剪力墻從下向上貫通布置原則，通過減小截面厚度使側(cè)向剛度減小。

  3.剪力墻配筋控制對(duì)主體造價(jià)起著關(guān)鍵性的作用

  通過以往高層住宅項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比看，一般剪力墻配筋幾乎都是按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率構(gòu)造配筋，包括豎向分布筋和水平向分布筋。所以控制剪力墻厚度，可以有效的控制剪力墻身鋼筋用量。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)讓蛹袅χS壓比控制在抗震等級(jí)范圍不同限值內(nèi)，則剪力墻僅設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，而當(dāng)軸壓比大于規(guī)定限值時(shí)，應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。而在剪力墻配筋設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)造邊緣構(gòu)件和約束邊緣構(gòu)件的配筋率相差甚大，所以適當(dāng)?shù)募哟蠹袅χ孛?，把底層軸壓比控制在設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件限值以內(nèi)，可以有效的降低鋼筋配筋量。所以通過合理的截面布置可以很好的優(yōu)化剪力墻配筋設(shè)計(jì)。

  三、剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的合適含鋼量

  關(guān)于鋼筋含鋼量指標(biāo)的計(jì)算方法，依據(jù)已知的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考的依據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。通常為計(jì)算范圍內(nèi)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)鋼材用量除以計(jì)算范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面積。1）結(jié)構(gòu)鋼材包含剪力墻、柱、梁、樓板、空調(diào)板、窗臺(tái)板、陽臺(tái)欄板、砌體拉結(jié)筋等混凝土結(jié)構(gòu)的受力及構(gòu)造鋼筋；不含純建筑的混凝土裝飾構(gòu)件、預(yù)埋件、混凝土墻梁與砌體間加掛的鋼絲網(wǎng)、一樓為防潮而設(shè)置的架空預(yù)制板所含的鋼筋。2）結(jié)構(gòu)面積等于建筑面積與建筑贈(zèng)送的但仍為結(jié)構(gòu)樓板或屋面板遮蓋部分的面積之和。例如層高小于 2.2m部分，在計(jì)算建筑面積時(shí)只計(jì)算一半，在計(jì)算結(jié)構(gòu)面積時(shí)全數(shù)計(jì)入。

  高層建筑如因建筑的空間等方面的要求必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層時(shí)，轉(zhuǎn)換層應(yīng)有單獨(dú)統(tǒng)計(jì)的含鋼量指標(biāo)?？偟暮摿恐笜?biāo)中應(yīng)同時(shí)提供以下兩種類型：1）不含轉(zhuǎn)換層的面積及其用鋼量的指標(biāo)；2）包含轉(zhuǎn)換層的面積及其用鋼量的指標(biāo)。

  含鋼量指標(biāo)要求是以常規(guī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際建造面積計(jì)算的，這就提醒我們?cè)诮y(tǒng)計(jì)含鋼量時(shí)，務(wù)必以實(shí)際建造面積計(jì)算，而不是簡(jiǎn)單的以建筑面積計(jì)算，這樣算出來的結(jié)果才能真正反應(yīng)結(jié)構(gòu)的含鋼量水平的高低。

  四、總結(jié)

  結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的首先是為了降低工程造價(jià)，而不是把原有加大的安全儲(chǔ)備減少，要在保證整個(gè)結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，做到經(jīng)濟(jì)合理，還能很好的滿足建筑的使用功能。近年來，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，數(shù)量多，投資大，因此進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

  參考文獻(xiàn)：

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