小議優(yōu)化高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、小議優(yōu)化高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要： 近年來,剪力墻結(jié)構(gòu)越來越多的應(yīng)用到高層建筑中,特別是大中城市。為滿足抗震等條件的要求,新的結(jié)構(gòu)形式也不斷發(fā)展,其中剪力墻結(jié)構(gòu)就廣泛用于高層住宅。以下本文對(duì)目前城市中比較常見的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題進(jìn)行了分析探討，以利于設(shè)計(jì)人員和房地產(chǎn)商對(duì)高層住宅結(jié)構(gòu)體系的選擇。關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)； 分析引言 高層建筑是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物，是現(xiàn)代化、商業(yè)化、工業(yè)化和城市化的必然結(jié)果。它反應(yīng)了一個(gè)國家的建筑科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需求，以及城市人口密度的持續(xù)增長(zhǎng)，高層建筑正逐漸成為城市建筑的發(fā)展趨勢(shì)，也是城市現(xiàn)代化的象征。為了滿

2、足高層建筑的抗震性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。 1、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì) 一幢高層建筑猶如一根豎直放置于嵌固于地基的開孔、帶橫肋的巨型空間構(gòu)架式的“懸臂梁”。它不僅要承受“梁”內(nèi)所有重力荷載的作用并保持穩(wěn)定，而且要承受風(fēng)荷載、地震等水平荷載的作用并保持一定的剛度，避免過大的水平位移和振動(dòng)，保證“梁”內(nèi)各種建筑裝飾、填充墻等不受損壞，以提供“梁”內(nèi)工作生活的人們有一個(gè)舒適的環(huán)境。 高層建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)承受垂直和水平荷載，還要抵抗地震作用，在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，通?？梢院雎裕欢诟邔咏ㄖ?，水平荷載和地震作用將成為控制因素。隨著建筑高度增

3、加，位移增加最快，彎矩次之。因此高層建筑設(shè)計(jì)不僅要有較大的承載能力，而且需要較大的抗側(cè)剛度， 以保證水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形控制在一定范圍內(nèi)。 剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下側(cè)向變形的特征為彎曲型。 剪力墻結(jié)構(gòu)承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點(diǎn)是整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置。缺點(diǎn)是不能提供大空間房屋，結(jié)構(gòu)延性較差。當(dāng)?shù)叵率一蛳虏恳粚?、幾層，需要大空間時(shí)（如商場(chǎng)、停車庫等）即形成部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。 在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)的過渡層必須設(shè)置轉(zhuǎn)換層。 剪力墻結(jié)構(gòu)由于承受豎向力、水平力的能力均較大，橫向剛度大，因此可以建

4、造比框架結(jié)構(gòu)更高、更多層數(shù)的建筑。但是只能以小房間為主的房屋，如住宅、賓館、單身公寓。而賓館中需要大空間的門廳、餐廳、商場(chǎng)等往往設(shè)置在另外的建筑單元中。 為了適用任何方向的水平力（或地震作用），因此對(duì)于矩形平面，剪力墻在縱橫雙向均應(yīng)設(shè)置；對(duì)于圓形平面，剪力墻應(yīng)沿徑向及環(huán)向設(shè)置；三角形平面，宜沿三個(gè)主軸方向設(shè)置剪力墻。 2、剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則 一般來說，建筑結(jié)構(gòu)的剛度越大，抵抗地震作用力就越大，結(jié)構(gòu)也就越穩(wěn)定，但是如果無限制增大結(jié)構(gòu)的剛度勢(shì)必會(huì)增加結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)；如果剛度過大，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)不利，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，如：周期太短、層間位移過小等。剪力墻的特點(diǎn)是平面內(nèi)剛度和承載能力較大，而平面

5、外剛度和承載能力相對(duì)很小，在做結(jié)構(gòu)優(yōu)化的時(shí)候應(yīng)該使結(jié)構(gòu)層間位移角保持在合理的范圍內(nèi)，不能偏差規(guī)范限制太多；保證結(jié)構(gòu)抵抗地震的作用力在規(guī)范要求范圍內(nèi)，并考慮個(gè)因素相互制約的影響。剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化是個(gè)十分復(fù)雜的問題，影響剪力墻的因素眾多，而各因素又相互制約，因此在對(duì)高層建筑優(yōu)化時(shí)應(yīng)考慮定量和定型的分析研究。針對(duì)工程常見特點(diǎn)，在保證原結(jié)構(gòu)建筑使用功能和規(guī)范要求下對(duì)結(jié)構(gòu)作如下優(yōu)化： （1）盡量避免出現(xiàn)“一字型”剪力墻，避免樓面梁一側(cè)或兩側(cè)擱置在“一字型”剪力墻或其連梁上。 （2）使得結(jié)構(gòu)受力更加合理，能在滿足規(guī)范要求的前提下，使剪力墻的結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)，經(jīng)濟(jì)性更加合理。 （3）通過改變剪力墻的數(shù)量及其布

6、置使得結(jié)構(gòu)的樓層剛度、周期、層間位移角更加合理。 3、房地產(chǎn)企業(yè)結(jié)構(gòu)成本控制的方法分析 隨著房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，地價(jià)猛漲，如何降低工程成本，并取得效益最大化是每個(gè)房地產(chǎn)企業(yè)不斷的追求。在考慮建筑結(jié)構(gòu)布置方案時(shí)就要考慮對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型優(yōu)化，這就要不僅考慮到結(jié)構(gòu)的合理性、實(shí)用性，還要考慮到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)槿绾谓档统杀?、增加利潤是每一個(gè)房地產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的問題。建設(shè)項(xiàng)目前期的設(shè)計(jì)階段（方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)）影響整個(gè)項(xiàng)目投資的可能性在80%以上。其中，結(jié)構(gòu)成本占到建安成本的40%60%。很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做的并不精細(xì)。通過降低成本以求提高經(jīng)濟(jì)效益是房地產(chǎn)行業(yè)共同追求和努力的目標(biāo)之一，而結(jié)構(gòu)成本的控

7、制是房地產(chǎn)項(xiàng)目成本控制的關(guān)鍵。 為了與工程實(shí)際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比。鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價(jià)上，暫不考慮模板及樓板等工程的造價(jià)影響。電算分析指數(shù)表明，豎向結(jié)構(gòu)體系的截面面積雖然較小，但仍可保證滿足承載力、剛度、位移的要求。顯而易見，優(yōu)化后的方案不僅節(jié)約了業(yè)主的投資費(fèi)用，更重要的是節(jié)約了資源。 4、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化措施 4.1 盡量合理的減小剪力墻厚度 增加剪力墻厚度，雖然能提高結(jié)構(gòu)抗測(cè)力的能力，同時(shí)也增大了結(jié)構(gòu)的地震力，但是由于影響剪力墻結(jié)構(gòu)的因素眾多，結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力與結(jié)構(gòu)所承受的地震力兩者不一定成正比變 化。剪力墻厚度的取值不僅影響到結(jié)構(gòu)的自重、結(jié)構(gòu)的質(zhì)

8、量和結(jié)構(gòu)剛度，而且直接影響到工程造價(jià)的高低。因此，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行剪力墻優(yōu)化布置時(shí)應(yīng)盡量合理的減少墻厚。 一般情況下影響剪力墻墻厚取值的因素如下：通過結(jié)構(gòu)分析，依據(jù)結(jié)構(gòu)的最大層間位移、最大層間位移比、周期比以及樓層剛度等控制因素，選取合理的剪力墻厚度；根據(jù)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)軸壓比的規(guī)定；穩(wěn)定性及構(gòu)造性要求?！案咭?guī)”規(guī)定按穩(wěn)定性要求確定剪力墻的高厚比，當(dāng)不能滿足時(shí)應(yīng)按“高規(guī)”附錄算墻體的穩(wěn)定性。 4.2 嚴(yán)格控制剪力墻的配筋率 混凝土規(guī)范規(guī)定，抗震等級(jí)為一、二、三級(jí)的剪力墻的水平和豎向分布鋼筋配筋率均不應(yīng)小于0.25%；四級(jí)抗震等級(jí)剪力墻不應(yīng)小于0.2%，分布鋼筋間距不應(yīng)大于300mm；其直徑不應(yīng)小于8mm

9、。這在高層或者剪力墻墻肢較長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)該是合理的，但對(duì)于短小、低矮的剪力墻，應(yīng)適當(dāng)減小其水平筋的配筋率；墻的豎向最小配筋率應(yīng)包括邊緣構(gòu)件中的鋼筋，同時(shí)應(yīng)注意避免豎筋過多使墻的抗剪強(qiáng)度小于抗彎強(qiáng)度，對(duì)抗震不利。 4.3 減輕結(jié)構(gòu)自重 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少混凝土用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，可以減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力、豎向荷載和水平地震作用力，特別是轉(zhuǎn)換層和基礎(chǔ)的鋼材和混凝土。樓板：樓板在整個(gè)建筑中占據(jù)著相當(dāng)大的比率，減小樓板厚度即減少了單位建筑面積混凝土用量。將樓板厚度控制在滿足板的厚度與計(jì)算跨度要求的比值，并滿足防火和預(yù)埋管線要求的較小值，可使得混凝土的消耗量最低。剪力墻：在考慮樓板的同時(shí)也應(yīng)考慮剪力墻的混凝土消耗量最少。擴(kuò)大剪力墻開間的間距，用輕質(zhì)隔墻替代部分開間的墻體，能有效地降低混凝土用量。如果開間過大，可以在隔墻處 設(shè)置梁來保證減少樓板厚度的實(shí)現(xiàn)。由于住宅的開間和進(jìn)深一般不大，梁寬可取隔墻墻厚，以免露梁。為減輕自重，剪力墻厚度可沿高度分次變化。 5、結(jié)束語 高層建筑投資大,建設(shè)周期長(zhǎng),對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以期獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案并節(jié)約投資,一直是結(jié)構(gòu)工程師所努力追求的。剪力墻的數(shù)量及其布置是影響到結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵因素，因此對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。剪力墻的數(shù)量和布置極大地影響著剪力墻的力學(xué)特性,也決定著剪力墻結(jié)構(gòu)是否經(jīng)濟(jì)。 參考文獻(xiàn)