關(guān)于高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

1、關(guān)于高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討    1. 引言與框架結(jié)構(gòu)相比，剪力墻結(jié)構(gòu)更為寬敞、簡(jiǎn)潔，不僅增加了使用面積，而且使用功能也更好，并能為住戶的自行改造提供足夠的靈活性。同時(shí)，剪力墻用鋼量較省，整體性好，結(jié)構(gòu)剛度大，而且可以在高層住宅或賓館等居住型的建筑中，將居室或客房采用分隔墻來分為小間，此過程中通過將分隔墻與承重墻合二為一，因此相對(duì)來說也比較經(jīng)濟(jì)。本文針對(duì)高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的分析。2. 高層建筑結(jié)構(gòu)的受力分析建筑結(jié)構(gòu)通常主要是受到來自于垂直與橫向兩個(gè)方向的外力。多層建筑由于其高寬比較小，平面的尺寸較大，結(jié)構(gòu)的高度較低，并

2、且結(jié)構(gòu)受到地震作用和風(fēng)荷載作用也很小，因此在多層建筑的設(shè)計(jì)中主要是考慮如何來抵抗其垂直的荷載。然而隨著建筑物高度的不斷增加，其受力特點(diǎn)也同樣在逐步地產(chǎn)生變化，而在設(shè)計(jì)時(shí)則主要考慮垂直荷載、橫向荷載、結(jié)構(gòu)展延性以及側(cè)向移動(dòng)等方面。2.1 垂直荷載。通常高層建筑物的垂直荷載都較大，并會(huì)在柱中產(chǎn)生相當(dāng)?shù)拇怪睉?yīng)力，以此來影響連續(xù)框架梁的彎矩，而且同時(shí)還會(huì)影響預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度。所以必須考慮其垂直荷載對(duì)其軸向變形的影響，從而對(duì)其下料長(zhǎng)度作出相應(yīng)的調(diào)整。2.2 橫向荷載。對(duì)于高層建筑來說，其在一定高度范圍內(nèi)的垂直荷載基本上是固定的，但是包括來自地震作用與風(fēng)荷載作用的橫向荷載值，則會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的區(qū)

3、別而導(dǎo)致較大的影響和變化。2.3 結(jié)構(gòu)延性。與多層建筑相比，高層建筑的結(jié)構(gòu)在碰到地震作用時(shí)，其所發(fā)生的變形就會(huì)大得多。為了保證建筑在其塑性的變形階段當(dāng)中仍能具備較強(qiáng)的變形能力，就必須在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施來保證其結(jié)構(gòu)展延性。2.4 側(cè)向移動(dòng)。對(duì)于結(jié)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)的控制是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵所在。而且隨著其建筑高度的逐漸增加，在橫向荷載作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移變形就會(huì)隨其建筑高度的增加而迅速增大。針對(duì)高層建筑的這一特征，其在橫向荷載的作用下產(chǎn)生的側(cè)移就必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。3. 高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)中主要受力的構(gòu)件包括框架梁、柱、樓板和剪力墻。其中作為垂直構(gòu)件的混凝土剪力墻是其

4、提供結(jié)構(gòu)剛度的第一構(gòu)件，它在高層建筑當(dāng)中承受結(jié)構(gòu)的絕大部分橫向荷載和垂直荷載。而當(dāng)高層建筑的受力結(jié)構(gòu)主體全部由剪力墻構(gòu)件來構(gòu)成時(shí)，就形成了通常所說的剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻結(jié)構(gòu)中單肢的剪力墻承擔(dān)了所有的橫向荷載和垂直荷載?；炷良袅Y(jié)構(gòu)是一種較為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)體系，屬于剛性結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度都比較高并且具備一定的展延性，傳力也均勻直接，有不錯(cuò)的抗倒塌能力和較高的整體性。高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從下述幾個(gè)方面來考慮。3.1 合理的結(jié)構(gòu)布置。由于底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻屬于低矮墻，且其抗剪剛度相對(duì)較大，所以如果平面形式復(fù)雜、布置的墻肢較長(zhǎng)，就很容易出現(xiàn)受力過于集中、局部剛度過大的現(xiàn)象，甚至往

5、往出現(xiàn)只布置極少的剪力墻就能滿足上下層的抗側(cè)剛度比限值的情況。所以在剪力墻布置方案上必須要堅(jiān)持對(duì)稱、均勻、周邊、分散的原則，且墻片不宜過長(zhǎng)，墻片平面形式也不宜采用增強(qiáng)抗側(cè)剛度的“T”、“L”等平面形式，而應(yīng)盡可能采用“一”字平面形式。同時(shí)還應(yīng)控制好剪力墻的最大間距，以滿足規(guī)范的要求?？v向剪力墻還應(yīng)在外縱軸布置好開窗洞的剪力墻，這樣就能大大增強(qiáng)其橫向抗傾覆的能力，以避免邊柱產(chǎn)生過大的拉力和壓力。3.2 建筑高度和層數(shù)要求。隨著樓層數(shù)的增加，剪力墻結(jié)構(gòu)的震害將會(huì)加劇，所以規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物的高度和層數(shù)有著嚴(yán)格的限值要求。其中的建筑高度指的是從室外地面至檐口或者屋面板板面的高度，對(duì)

6、于半地下室結(jié)構(gòu)則從室內(nèi)地面算起，而對(duì)于全地下室或者嵌固條件較好的半地下室則仍然應(yīng)從其室外地面算起。對(duì)于那些帶閣樓的坡屋頂則應(yīng)算至山墻的半高處。3.3 抗震要求。根據(jù)歷史上地震的記錄及其分析研究，之所以底層框架剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，究其原因就在于其上部剛度和底層剛度之比太過于懸殊。因而導(dǎo)致當(dāng)?shù)卣鸺凶饔玫降讓訒r(shí)，就會(huì)因?yàn)榈讓觿偠容^上部結(jié)構(gòu)要小得多而造成底層彈塑性的明顯且突出的集中變形的現(xiàn)象。所以控制上部剛度和底層剛度之比是非常關(guān)鍵的。對(duì)于不同的抗震設(shè)防烈度，抗震要求也有一定的區(qū)別。3.4 底層框架柱布置。如果剪力墻結(jié)構(gòu)的底層是全框架的結(jié)構(gòu)形式，那么在其內(nèi)柱X、Y向軸線的砌體墻中均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造

7、柱或者框架柱，且其底部全框架結(jié)構(gòu)的柱距不宜太大，一般要求控制在到八米以內(nèi)，而且每根框架梁上最多只能設(shè)置一道非落地的剪力墻。從使用功能來講，通常底部全框架結(jié)構(gòu)的民用建筑大部分為商住樓，而該跨對(duì)應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)即可分割成兩個(gè)開間，無論上部結(jié)構(gòu)是用作辦公還是住宅，該跨所對(duì)應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)開間的尺寸都能夠達(dá)到填充砌體結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的功能，以此來控制每根框架梁上部?jī)H設(shè)置一道非落地墻。與此同時(shí)考慮到大框架梁的梁高一般控制在梁跨的八分之一到五分之一，而如果柱距過大，就會(huì)使得梁截面及其配筋率出現(xiàn)超限，而且增加上部結(jié)構(gòu)非落地墻的數(shù)量也會(huì)使這種現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。3.5 過渡層的設(shè)計(jì)。對(duì)于存在過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)，比如底

8、層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體在地震中需要提供的抗傾覆力矩和抗剪切力最大，且其受力也最不利。除此之外，由于在垂直均勻荷載的作用下，過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體處于拉剪或者者壓剪的應(yīng)力狀態(tài)，而一旦有橫向荷載作用時(shí)，過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體的橫向承載力及其抗裂性能都將相應(yīng)地降低。過渡層或者轉(zhuǎn)換層應(yīng)在每開間設(shè)置圈梁以及構(gòu)造柱，以形成類框架體系，從而增強(qiáng)過渡層或者轉(zhuǎn)換層傳遞地震剪切力的能力，并大大增加其展延性以及耗能能力。3.6 連梁設(shè)計(jì)。剪力墻的連梁是一件耗能構(gòu)件，因此它的剪切破壞將對(duì)抗震不利，并會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性大大降低。在設(shè)計(jì)過程中就要注意對(duì)連梁進(jìn)行強(qiáng)剪弱彎的驗(yàn)算，以保證連梁的

9、剪切破壞晚于彎曲破壞。而連梁截面的抗剪計(jì)算中，對(duì)于那些跨高比大于2.5的連梁，應(yīng)注意將其剪力設(shè)計(jì)值乘以增大系數(shù)。3.7 長(zhǎng)墻肢的處理。在墻肢長(zhǎng)度比較長(zhǎng)的情況中，為了滿足其每個(gè)墻段的高寬比都超過二，可以采取開洞的方式來將長(zhǎng)墻分割成為獨(dú)立的、小而均勻的墻段。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在的不多的長(zhǎng)度超過八米的剪力墻長(zhǎng)墻肢而言，在理論計(jì)算當(dāng)中其樓層的剪力絕大部分都是由這些剪力墻的長(zhǎng)墻肢來承擔(dān)。因此在發(fā)生地震尤其是超烈度的強(qiáng)震時(shí)，這些長(zhǎng)墻肢就是最容易遭到破壞的。而短墻肢則會(huì)因沒有足夠多的配筋，從而使整個(gè)墻面的結(jié)構(gòu)遭到全面的破壞。為了避免這種不利的現(xiàn)象發(fā)生，因此對(duì)于大于八米的長(zhǎng)墻肢，可以通過以下兩種方法來處理：

10、一方面，采取開施工洞，也就是在施工的過程當(dāng)中于墻上留洞，而混凝土結(jié)構(gòu)完成時(shí)再砌筑填充墻體，從而將長(zhǎng)墻肢分隔成為短墻肢。第二，采取開計(jì)算洞，也就是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PK計(jì)算的過程中假設(shè)有洞，而在繪制施工圖時(shí)卻不留洞，從而通過這種特殊的計(jì)算方式來加強(qiáng)其它的短墻肢的配筋。對(duì)于這種方法而言一般適合用作地下室外墻等不允許開施工洞的長(zhǎng)墻肢。4. 結(jié)語綜上所述，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，整個(gè)體系的剪力墻布置和調(diào)整過程就是一個(gè)逐步優(yōu)化的過程，直到按照周邊均勻?qū)ΨQ的原則將結(jié)構(gòu)體系的位移與剛度趨于最合理，才能使材料發(fā)揮最大的效能。其中的連梁作用不可忽視，其剛度將直接影響整個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)的整體剛度。尤其不可盲目增大某一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件的剛度，以至于造成薄弱位置轉(zhuǎn)移甚至產(chǎn)生新的薄弱部位。參考文獻(xiàn)1 蘇紹堅(jiān). 住宅樓剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析J.核工程研究與設(shè)計(jì)，2007(01).2 杜艷玲