浅谈高层剪力墙结构的优化设计

孙雪兰

0 引言

随着社会经济的快速发展和人类活动的需要,城市土地越来越紧张,高层及超高层建筑发展速度越来越快。一般的高层住宅多选用剪力墙结构,所以如何在保证结构安全的前提下,使得高层结构设计更合理经济已成为当务之急。

1 高层建筑的概念设计

《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)规定:高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时,应布置筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时,筒体和一般墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。一般认为短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的40%～50%时属于短肢剪力墙结构。

短肢剪力墙结构抗震性能较差,经济指标不好。所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布,尽可能将剪力墙的墙肢截面高度(至少保证一肢)做的比8倍墙厚稍大,符合一般剪力墙,剪力墙也不必按开间布置,两间合并布置为大开间剪力墙,同时满足竖向荷载传递的要求。剪力墙尽可能设计成“L”形、“T”形,有利于剪力墙结构的稳定性,同时能够形成较好的侧向刚度。在同样满足规范的各项指标的情况下,更能减轻结构自重,减小结构构件,有利于降低工程投资。根据工程经验,对于“L”形、“T”形剪力墙,当一个方向的墙符合一般墙要求时,另一个方向的墙肢不宜过短,较小的墙肢常常会出现较大的配筋,一般宜控制在1 m左右,使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。

2 剪力墙结构计算的基本假定

剪力墙结构是指一个完全由剪力墙抵抗水平荷载,承受竖向荷载的结构。剪力墙结构整体性好,刚度大,在水平荷载作用下侧向变形小。其计算的基本假定:

1)剪力墙结构中每一片墙可以抵抗自身平面内的水平力,而在平面外的刚度很小,可以忽略,但也不是完全不考虑,而是将其作为受力方向剪力墙的翼缘来计算。2)楼板在自身平面内的刚度可视为无限大,而在平面外的刚度很小,可以忽略。即各片剪力墙通过楼板互相联系协同工作,使各榀剪力墙保持变形协调。3)不考虑剪力墙的轴向变形及基础扭动影响。

3 剪力墙结构设计计算原则

剪力墙结构设计时,应根据规范要求综合考察结构是否合理,下面是对结构设计中须重点关注的几种技术指标的调整原则的浅析,若有不对之处,请广大同行指正。

3.1 楼层最小剪力系数(剪重比)的调整原则

在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下尽可能少布置剪力墙,以大开间剪力墙布置方案为目标,使结构具有适宜的侧向刚度,使楼层最小剪力系数接近规范限值(不小于限值)。这样能够减轻结构自重,有效减小地震作用的输入,同时降低工程造价。

3.2 楼层层间最大位移与层高之比(位移)的调整原则

规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时,除以弯曲变形为主的高层建筑外,可不扣除结构整体弯曲变形,应计入扭转变形。由此可见,对于一般的高层建筑,重点是楼层间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的,但竖向构件足够多(剪重比偏大)而布置不合理,则会造成扭转变形过大,同样不能满足层间位移的要求。因此,对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小,而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。

3.3 结构扭转为主的第一自振周期 Tt与平动为主的第一自振周期T1之比(周期比)的调整原则

《高规》第4.3.5条规定,结构扭转为主的第一自振周期 Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,小高层建筑不应大于0.90。限定周期比是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理,使结构不至于出现过大的扭转效应。

在实际工程设计中,应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置,降低结构中间构件的刚度,这样既可以提高结构的侧向刚度,同时又能够较大幅度的提高结构的整体刚度。

3.4 剪力墙连梁超限的调整原则

剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5,跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。

《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5～6之间时,若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用,则对节省工程造价也有非常明显的影响,即将跨高比不大于5的连梁(刚度需折减)和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁(刚度不折减),而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者,这对于节省工程投资具有很重要的意义。

4 剪力墙结构的墙体配筋

对于剪力墙结构来说,剪力墙是面广量大的,因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。

剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧,竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。但地下部分墙体配筋则通过计算确定。因为地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制,而由于简化计算经常由竖向筋控制,此种情况下为增大计算墙体有效高度,可将地下部分墙体的水平筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.6条规定:迎水面保护层应大于50 mm,且在保护层内按《混凝土结构设计规范》层50 mm计算,笔者认为是不妥当的。当采取了双向钢筋网片后,计算保护层厚度至少可按30 mm来取值,这对节省墙体配筋效果相当明显。

5 结语

高层剪力墙结构设计时应进行反复的优化设计,在重视概念设计的前提下,认真调整各项技术参数,使结构达到相对较优的结果。只有这样,才能保证结构安全合理又经济,这就要求我们在今后的设计中要不断提高设计水平及改进设计理念。

[1] JGJ 3-2002,J 186-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[3] 张建强,陈向东.高层框架—剪力墙结构连续倒塌风险评估[J].山西建筑,2008,34(11):83-84.