浅谈剪力墙结构优化设计在建筑结构设计中的应用

浅谈剪力墙结构优化设计在建筑结构设计中的应用

杨登松

杨登松广西华宇建工有限责任公司广西北流市537400

摘要：随着我国经济的不断发展和城镇化的不断推进，建筑行业得到了快速发展，城市中的多高层建筑逐渐增多。如何保证建筑的安全性是首要问题，而剪力墙设计因是纵横承受荷载而使其具有较强的抗震性和抗风性，所以高层建筑结构中便越来越多地采用剪力墙结构，剪力墙的受力、变形特征.本文在此从剪力墙结构的受力特点出发，对剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用做了详细的研究。

关键词：剪力墙结构；应用；墙肢

一、高层剪力墙结构的受力特点分析

1、轴向变形

高层建筑的竖向荷载一般较大，会在竖向构件中引起相当大的轴向变形从而影响连续梁弯矩，同时还会影响预制构件的下料长度。因此必须考虑轴向变形计算值，对下料长度作相应调整。

2、水平荷载

对于一定高度范围的高层建筑而言，竖向荷载基本固定不变，而包括风荷载与地震作用的水平荷载的数值，则会随结构动力特性的区别而发生较大范围的变化。

3、侧移的控制

结构侧移是高层建筑结构设计的关键。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形会随着建筑高度的升高而迅速增大。基于这一原因，水平荷载作用下的侧移必须严格控制在一定范围内。

4、结构延性

高层建筑比矮层楼房的结构更柔和，因此遇到地震等剧烈震动时所发生的形变会更大。为保证建筑在塑性变形阶段中仍能具备强变形能力，必须在结构设计上采取相应措施以保证结构的延性。

二、剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

1、剪力墙合理平面布置

剪力墙的平面布置应尽可能按照对称、均匀原则,尽量使墙面结构的质量中心和刚度中心完全重合,从而减少扭矩,对于内外剪力墙则应尽量拉通、对直;1、对于抗震设计中剪力墙结构应该特别避免仅单向有墙的结构布置形式;2、剪力墙最好能够沿主轴方向或其他方向进行双向布置;3、剪力墙的抗侧力刚度不宜过大；4、为充分发挥剪力墙的承载能力和抗侧力刚度,增大剪力墙可利用空间,剪力墙的间距不宜过密,应保证结构具有适宜的侧向刚度。可以选用经验公式T=(0.05一0.06)n,其中n为结构层数,判断剪力墙数量与结构侧向刚度的适应程度。计算结果中的TI值与搭模计算的周期T2相比较,若T2Tl则需要增加剪力墙数量。

2、剪力墙中大墙肢相关处理

剪力墙的结构必须具备延展性,对于呈细高状的剪力墙(宽高比小于2)很容易被设计成弯曲破坏的延性剪力墙,这样可以避免受到脆性的剪切破坏。在墙长度较长的情况下,为满足每墙段的宽高比均大于2,可以通过开洞的方式分割长墙为均匀而小的独立墙段。另外,在墙段长度较小时其受弯产生的裂缝宽度较小,能够充分发挥墙体配筋的支撑作用。而对于剪力墙结构中,如果存在较少的长度大于8m的大墙肢,在理论计算中楼层的剪力大部分则将由这些大墙肢来承受。尤其在发生地震特别是超烈度等强烈震动时,最容易受到破坏的便是这些大墙肢。而小墙肢因为没有足够的配筋,使整个墙面结构会受到全面破坏。为了防止发生这种不利现象,根据不同情况,对于长度超过8m的墙肢,可以采取开计算洞和开施工洞处理方法,对于开计算洞,即在进行结构计算时设有洞,开始施工时仍为混凝土墙,从而加强其它小墙肢的配筋能力;而对于开施工洞,就是在施工过程中使墙上留洞,施工结束时砌填填充墙,从而把长墙肢分成短墙肢。

3、约束边缘构件处理

试验表明:无约束边缘构件的矩形截面剪力墙与有约束边缘构件的矩形截面剪力墙相比,极限承载力约降低40%左右,极限层间位移角约减少一倍,对地震能量的消耗能力降低20%左右,且对培板的稳定不利。剪力墙设置的边缘构件分为构造边缘构件和约束边缘构件。根据不同级别的剪力墙相关轴压比,应选取不同边缘构件。对于一、二级剪力墙底部加强部位以上的普通部位和三、四级非抗震设计的高层建筑及相邻上层或底部加强部位轴压比小于多层房屋剪力墙,因此处理方法中均应设置构造边缘构件;而对于一、二级剪力墙结构的墙底部加强部位和相邻的上层,高层建筑及在重力荷载作用下墙体平均轴压比大于等于多层房屋,所以应设置约束边缘构件。

4、剪力墙墙身钢筋分析

国家相关规定《高规》中明确指出,一般剪力墙水平和竖向分布筋的配筋率,对于非抗震设计和四级抗震设计时则不应低于0.20%,而对于一、二、三级抗震情况下设计时保证小于0.25%。

三、剪力墙优化设计的具体有效措施

在优化剪力墙结构的设计中，为了使受力达到均衡，应当采取有效恰当的措施。剪力墙结构的安全可靠度非常好，每一个结构能够同时发挥最大作用，这样能够达到经济合理的目的。

1、注重转换层结构设计

高层建筑功能和形式日益多样化，当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部、中部和下部使用功能不同时，结构布置也要相应改变，要设置转换构件衔接上下结构，传递内力。设置转换构件的楼层称为转换层。因此，对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构应当慎重设计，由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高。调整转换层本身及其上下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大。最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀，宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。

2、优化连梁设计

根据《高规》在连梁设计方面的规定，对于连梁非抗震及抗震设计时高跨比大于2.5及小于2.5两种情况。在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定，为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值，塑性调幅可采用两种方法。(1)在内力计算前将连梁刚度进行折减，进行地震作用效应计算时折减系数不宜小于0.5;非地震效应计算时应慎重折减，必要时可不进行连梁刚度折减。(2)在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数，无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝，同时要注重连梁的铰接处理。

3、底部加强部位的设计

在剪力墙结构设计时，根据《高规》规定：一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/10和底部两层高度二者的较大值;部分框支剪力墙结构的底部加强部位高度，应从地下室顶板算起，宜取至转换层以上两层且不宜小于房屋高度的1/10。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层。同时将影响到地下1层，此时地下1层的抗震等级不能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下层，并应按规范要求在地下1层设置约束边缘构件。

四、结束语

综上所述,剪力墙结构的设计综合性很强，涉及到的内容繁多而复杂。设计时应注重把握结构模型进行概念分析，并采取适用的构造措施，力争做到技术与经济同步，安全与适用协调。同时应结合工程实际情况,制定出符合相关标准要求且具有经济性的剪力墙结构施工方案,从而使建筑结构在面对水平及竖向作用力时能够保证建筑的安全性。

参考文献：

【1】齐楠.浅议高层建筑剪力墙结构设计田.黑龙江科技信息,201年17期.

【2】李捍文.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2012，4(中).

【3】秦艳，焦维.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用[J].科技向导，2011(27).