時(shí)間：2022-08-27 14:25:07
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關(guān)鍵詞：異形柱短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代住宅建筑要求大開間，平面及房間布置靈活、方便，室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞、不露梁等。異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求，因而逐漸得到了推廣應(yīng)用。目前，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范或規(guī)程中尚未給出有關(guān)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的條款，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到一些規(guī)范或規(guī)程尚未論及的問題，需要設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)，利用正確的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本文旨在對(duì)異形柱與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行探討，提出個(gè)人看法，供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考
1異形柱結(jié)構(gòu)型式及其計(jì)算
異形柱結(jié)構(gòu)型式有異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架—核心筒結(jié)構(gòu)。
異形柱結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)決定了其受力性能、抗震性能與矩形柱結(jié)構(gòu)不同。由于異形柱截面不對(duì)稱，在水平力作用下產(chǎn)生的雙向偏心受壓給承載力帶來的影響不容忽視。因此，對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)按空間體系考慮，宜優(yōu)先采用具有異形柱單元的計(jì)算程序進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。因異形柱和剪力墻受力不同，所以計(jì)算時(shí)不應(yīng)將異形柱按剪力墻建模計(jì)算。
當(dāng)采用不具有異形柱單元的空間分析程序（如TBSA5.0）計(jì)算異形柱結(jié)構(gòu)時(shí)，可按薄壁桿件模型進(jìn)行內(nèi)力分析。
對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)，一般宜按剛度等效折算成普通框架進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。當(dāng)剛度相等時(shí)，矩形柱比異形柱的截面面積大。一般，比值（A矩／A異）約在1.10-1.30之間［1］。因此，用矩形柱替換后計(jì)算出的軸壓比數(shù)值不能直接應(yīng)用于異形柱，建議用比值（A矩／A異）對(duì)軸壓比計(jì)算值加以放大后再用于異形柱。
對(duì)有剪力墻（或核心筒）的異形柱結(jié)構(gòu)，由于異形柱分擔(dān)的水平剪力很小，由此產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力基本可以忽略，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可按面積等效或剛度等效折算成普通框架—剪力墻（或核心筒）結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力與位移分析。按面積等效更能反映異形柱軸壓比的情況，且面積等效計(jì)算更為簡(jiǎn)便。但應(yīng)注意，按面積等效計(jì)算時(shí)，須同時(shí)滿足下面兩式：
(1)A矩=A異；(2)b/h=(Ix異／Iy異)1/2
式中，A矩、A異——分別為矩形柱和異形柱的截面面積；
b、h——分別為矩形截面的寬和高；
Ix異、Iy異——分別為異形柱截面x、y向的主形心慣性矩。
一般，按面積等效計(jì)算時(shí)，矩形柱的慣性矩比異形柱的小。但對(duì)有剪力墻（或核心筒）的異形柱結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析表明［2］，按面積等效與按剛度等效的計(jì)算結(jié)果是接近的。
異形柱的截面設(shè)計(jì)，可根據(jù)上述方法得出的內(nèi)力，采用適合異形柱截面受力特性的截面計(jì)算方法進(jìn)行配筋計(jì)算。
2短肢剪力墻結(jié)構(gòu)及其計(jì)算
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。其計(jì)算模型、配筋方式和構(gòu)造要求均同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)。在TAT、TBSA中，只需按剪力墻輸入即可，而且TAT、TBSA更適合用來計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。TAT、TBSA所用的計(jì)算模型都是桿件、薄壁桿件模型，其中梁、柱為普通空間桿件，每端有6個(gè)自由度，墻視為薄壁桿件，每端有7個(gè)自由度（多一個(gè)截面翹曲角，即扭轉(zhuǎn)角沿縱軸的導(dǎo)數(shù)），考慮了墻單元非平面變形的影響，按矩陣位移法由單元?jiǎng)偠染仃囆纬煽倓偠染仃嚕霕前迤矫鎯?nèi)剛度無限大假定減少部分未知量之后求解，它適用于各種平面布置，未知量少，精度較高。但是，薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜（如有轉(zhuǎn)換層）時(shí)，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時(shí)變形不協(xié)調(diào)。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于肢長(zhǎng)較短（一般為墻厚的5-8倍），本身較高細(xì)，更接近于桿件性能，所以，用TAT、TBSA計(jì)算短肢剪力墻結(jié)構(gòu)能較好地反映結(jié)構(gòu)的受力，精度較高。
對(duì)設(shè)有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，一般都只是將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支?？蛑Ъ袅κ鞘芰γ嫦蚴芰c(diǎn)過渡，由于薄壁桿件的連接處是點(diǎn)連接，所以用薄壁桿件模型不能很好地處理位移的連續(xù)和力的正確傳遞。因此，帶有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用墻元模型軟件（如SATWE）進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然，從整體上的內(nèi)力（特別是下部支承柱的內(nèi)力）分布情況來看，如果將剪力墻加以適當(dāng)?shù)奶幚?，還是可以用TAT、TBSA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算的［3］。
3異形柱的受力性能及其軸壓比控制
天津大學(xué)的試驗(yàn)研究結(jié)果表明［4］：異形柱的延性比普通矩形柱的差。軸壓比、高長(zhǎng)比（即柱凈高與截面肢長(zhǎng)之比）是影響異形柱破壞形態(tài)及延性的兩個(gè)重要因素。
異形柱由于多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，在受力狀態(tài)下，各肢產(chǎn)生翹曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出現(xiàn)裂縫，即產(chǎn)生腹剪裂縫，導(dǎo)致異形柱脆性明顯，使異形柱的變形能力比普通矩形柱降低。
作為異形柱延性的保證措施，必須嚴(yán)格控制軸壓比，同時(shí)避免高長(zhǎng)比小于4（短柱）。控制柱截面軸壓比的目的，在于要求柱應(yīng)具有足夠大的截面尺寸，以防止出現(xiàn)小偏壓破壞，提高柱的變形能力，滿足抗震要求。廣東《規(guī)程》按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ11—89）中所規(guī)定的柱子軸壓比降低0.05取用（按截面的實(shí)際面積計(jì)算）；天津《規(guī)程》則根據(jù)箍筋間距與主筋直徑之比、箍筋直徑及抗震等級(jí)共同確定，其要求比廣東《規(guī)程》嚴(yán)格，例如，對(duì)s/d＝5、4（即箍筋間距s＝100mm，縱筋直徑d分別為20mm、25mm的情況），箍筋直徑dv＝8mm，抗震等級(jí)為三級(jí)的L形截面，其軸壓比限值分別為0.60，0.65。異形柱是從短肢剪力墻向矩形柱過渡的一種構(gòu)件，柱肢截面的肢厚比（即肢長(zhǎng)／肢寬）不大于4?！陡咭?guī)》（JGJ3—91）第5.3.4條，“抗震設(shè)計(jì)時(shí)，小墻肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二級(jí)剪力墻的小墻肢，其軸壓比不宜大于0.6”。根據(jù)上述分析，為便于應(yīng)用，建議在6度設(shè)防區(qū)，對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)，L形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過0.6（按截面的實(shí)際面積計(jì)算，下同），T形截面柱的的軸壓比不應(yīng)超過0.65，十字形截面柱的軸壓比不應(yīng)超過0.8；對(duì)于異形柱框架—剪力墻（或核心筒）結(jié)構(gòu)，由于框架是第二道抗震防線，所以框架柱的軸壓比限值可放寬到0.65（L形）、0.70（T形）、0.90（＋字形），但對(duì)于轉(zhuǎn)換層下的支承柱，其軸壓比仍不應(yīng)超過0.60。
短柱在壓剪作用下往往發(fā)生脆性的剪切破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短柱。根據(jù)高長(zhǎng)比不宜小于4，在梁高為600mm的前提下，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0m時(shí)，異形柱的最大肢長(zhǎng)可為600mm；底層層高為4.2m時(shí)，肢長(zhǎng)可為900mm。
4短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的設(shè)置高度及框支柱
在現(xiàn)代高層住宅的地下室和下部幾層，由于停車和商業(yè)用房需較大空間，就得通過轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般都只將電梯間、樓梯間、核心筒和一少部分剪力墻落地，其于剪力墻框支。
據(jù)研究表明［5］，“框支剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層附近層間位移角及內(nèi)力分布急劇突變，內(nèi)力的傳遞僅靠轉(zhuǎn)換層一層樓板的間接傳力途徑很難實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)換層下部的‘框支’結(jié)構(gòu)易于開裂和屈服，轉(zhuǎn)換層上部幾層墻體易于破壞。這種結(jié)構(gòu)體系不利于抗震。高烈度區(qū)（9度及9度以上）不應(yīng)采用；8度區(qū)可以采用，但應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度，可考慮不宜超過3層；7度區(qū)可適當(dāng)放寬限制。”因此，建議在6度抗震設(shè)防區(qū)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度不宜超過5層，避免高位轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換層上下的層剛度比γ宜接近1，不宜超過2。轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，宜同時(shí)控制轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度（即考慮彎曲剪切和軸向變形的綜合剛度），使EgJg與EcJc接近。EgJg為剪力墻結(jié)構(gòu)的等效剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)高度取框支層的總高度，其平面和層高與轉(zhuǎn)換層上部的剪力墻結(jié)構(gòu)相同；EcJc為轉(zhuǎn)換層下部“框支”結(jié)構(gòu)的等效剛度。研究表明［5］，“控制轉(zhuǎn)換層下部‘框支’結(jié)構(gòu)的等效剛度對(duì)于減少轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角和內(nèi)力突變是十分必要的，效果也很顯著?！?/p>
規(guī)范對(duì)框支柱的內(nèi)力、軸壓比、配筋等的要求都嚴(yán)于普通柱?？蛑Ъ袅Y(jié)構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，如何定義框支柱，涉及到安全與經(jīng)濟(jì)的問題。根據(jù)圣維南原理，局部處理的影響只限于局部范圍，所以當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高（如高位轉(zhuǎn)換）時(shí)，除轉(zhuǎn)換層附近樓層的內(nèi)力較復(fù)雜外，下面的結(jié)構(gòu)受到的影響很小，應(yīng)與普通框架結(jié)構(gòu)基本一樣，不必按框支柱處理。文獻(xiàn)［6］計(jì)算了兩個(gè)28層的結(jié)構(gòu)，一為內(nèi)筒外框架結(jié)構(gòu)，一為內(nèi)筒外框支結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層設(shè)在18層。計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換層下二層的內(nèi)力影響很大，下三層的內(nèi)力誤差最大為15%，下五層的內(nèi)力已比較接近（最大誤差小于10%）,下八層的內(nèi)力已基本一樣（最大誤差小于5%）。這說明框支柱只需在五層范圍內(nèi)加以考慮，其它層的柱子按普通框架柱處理即可。因此，建議當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置不超過五層時(shí)，轉(zhuǎn)換層下的各層柱均按框支柱處理；當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置超過五層時(shí)，轉(zhuǎn)換層下相鄰的五層柱按框支柱處理，而其它層的柱按普通框架柱處理。由于高位轉(zhuǎn)換對(duì)抗震不利，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免高位轉(zhuǎn)換。
5短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì)
振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明［7］，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂；在地震作用下，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主，底部的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷載，破壞嚴(yán)重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重；在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對(duì)減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。例如，短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度（宜取250mm，對(duì)底部的小墻肢根據(jù)需要可取用300mm），加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋，嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6，以提高墻肢的承載力和延性；高層結(jié)構(gòu)中連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對(duì)抗震不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算，保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞；短肢剪力墻宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié)，連梁宜布置在各肢的平面內(nèi)，避免采用“一”字形墻肢；短肢剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求；等。
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1.1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概述
通常來說，一般剪力墻結(jié)構(gòu)的建設(shè)規(guī)模較大，可實(shí)際厚度較小。因此，這種特點(diǎn)也決定了剪力墻結(jié)構(gòu)的具體形狀以及承受能力的大小。其中，剪力墻結(jié)構(gòu)的組織形狀相似于板狀，自身具備了較高的承受能力，與柱子的受力程度非常相似。然而，在其他方面上，這兩者有著十分明顯的差異。并且，剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的核心部分，設(shè)計(jì)人員在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)固有的承載力大和平面內(nèi)剛度大的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)該按照不同場(chǎng)所要求，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使其發(fā)揮最大化的使用性能。
1.2剪力墻結(jié)構(gòu)的分類
（1）雖然實(shí)體墻與截面剪力墻在某些方面，有著較大的差異。可是，這兩者的開通面積與不開通面積是基本相同的。并且，這種剪力墻結(jié)構(gòu)形式在發(fā)生變化時(shí)，也是呈現(xiàn)了曲線狀態(tài)，是一種固定不變的形態(tài)。
（2）即使剪力墻開口不大，但因?yàn)榧袅﹂_通面積已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定范圍。所以，此時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的是彎曲狀態(tài)，并且無任何的阻擋點(diǎn)，從而導(dǎo)致其位置和形態(tài)均發(fā)生了不同程度的變化。
2.剪力墻建筑結(jié)構(gòu)的厚度和長(zhǎng)度的選取
剪力墻墻肢截面的高度就是剪力墻墻肢的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度一般不應(yīng)超過8m。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)確保剪力墻結(jié)構(gòu)的延性，為了避免脆性的剪切破壞，可將高寬比大于2的細(xì)高剪力墻設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻。但是有的墻體長(zhǎng)度很長(zhǎng)，為了確保墻體的高寬比值大于2，就要采取開設(shè)洞口的方法將長(zhǎng)墻分成均勻的、長(zhǎng)度較小的連肢墻，而其洞口則最好采用約束彎矩比較小的弱連梁。
3.剪力墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的原則
設(shè)計(jì)人員在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵守相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，真正做好考察工作，堅(jiān)決不可以采用盲目的設(shè)計(jì)方法。只有這樣，才能確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范性，這也是保證建筑結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要表現(xiàn)。
3.1樓層之間最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則
一般情況下，為了防止安全隱患的發(fā)生，減輕建筑結(jié)構(gòu)的自身重量，設(shè)計(jì)人員在對(duì)建筑工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以采用減少剪力墻布置的方法。但是，這種設(shè)計(jì)形式有一個(gè)必要的前提條件，那就是短肢剪力墻的力矩必須保持在規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)。同時(shí)還可以應(yīng)用大開間的剪力墻結(jié)構(gòu)，以此來提高建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，充分保證樓層剪力系數(shù)的安全性，并從一定程度上，大大降低了工程造價(jià)成本。
4.剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議
我們知道，剪力墻結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞將會(huì)對(duì)建筑工程建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響。而這種建筑結(jié)構(gòu)形式因?yàn)榫邆漭^高的強(qiáng)度以及良好的延展性的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用，充分發(fā)揮了自身的有效價(jià)值。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于建筑工程存在很多的不確定性，當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化狀態(tài)時(shí)，常常會(huì)受到一些外力因素的破壞，使得剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能遭到了一定的影響，同時(shí)也大大降低了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是具備了十分理想的承載能力。并且，在剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)面部分，也擁有著較大的平面內(nèi)剛度，這就充分保障了建筑物的安全性。另外，在建筑內(nèi)部的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，石柱與房梁都是隱蔽起來的，有效的提高了建筑室內(nèi)的美感。但是，剪力墻結(jié)構(gòu)也存在著較大的缺陷，無法為人們提供更多的可利用空間，經(jīng)常會(huì)給人們的日常生活造成許多的不便。通過相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明是剛韌性較強(qiáng)的剪力墻，在地震發(fā)生時(shí)，房屋所受到的損壞是最小的。但是，建筑設(shè)計(jì)人員一定要注意將其控制在合理的范圍內(nèi)，不允許其隨意的擴(kuò)散發(fā)展。從而確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率。其次，由于剪力墻結(jié)構(gòu)成本費(fèi)用較高，這無疑會(huì)對(duì)建筑工程建設(shè)成本上造成一定的壓力。因此，建筑企業(yè)要采取及時(shí)有效的解決對(duì)策，盡可能減少工程成本的浪費(fèi)，促剪力墻結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)行。
5.結(jié)束語
【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；應(yīng)用分析
1引言
高層建筑是城市重要組成部分，建筑可以美化城市，而有一些標(biāo)志性建筑甚至在某種意義上代表了這座城市城市，例如如廣州的小蠻腰和上海的東方明珠塔，都是國(guó)際性大都市的標(biāo)志。因此，城市和建筑互相依賴，彼此生存。如今，土地資源稀缺，高層建筑已成為城市建設(shè)的主體，是城市生活的主流建筑，也是當(dāng)代建筑的發(fā)展趨勢(shì)。隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)居住舒適性的要求也有所提高，特別是對(duì)住宅公寓的要求越來越高。剪力墻結(jié)構(gòu)的壁厚與填充墻、平面的厚度是一致的，保證室內(nèi)無框架柱突出，可有效提高空間利用率，因此，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用的十分廣泛。
2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)概念方案布置
剪力墻結(jié)構(gòu)概念方案布置是進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，而布置設(shè)計(jì)的合理性與否對(duì)整個(gè)工程造價(jià)有很大的影響，下面對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。剪力墻布局應(yīng)沿兩個(gè)主軸方向雙向進(jìn)行布置，盡量做到分布均勻，這種安排，能夠讓兩軸剛度盡可能接近。剪力墻集中布置會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)載荷中心和剛度中心偏移，造成較為嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。剪力墻的分散布置會(huì)導(dǎo)致梁板跨度加大和剛度分布不均勻，而在跨度增大時(shí)，會(huì)增加結(jié)構(gòu)的重量，增加地震效應(yīng)，從而增加工程造價(jià)；另一方面，剪力墻間距太大，以致于單片剪力墻承受荷載過大，增加了軸壓比，從而對(duì)剪力墻延性設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。以及結(jié)構(gòu)在不規(guī)則的地震扭轉(zhuǎn)薄弱部位凸起后形成棱角。扭轉(zhuǎn)大變形導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)破壞。因此，考慮剪力墻平面布置，應(yīng)單獨(dú)布置，并用對(duì)角線局部加強(qiáng)。在平面角部盡量布置L形墻肢，還可采取設(shè)置端柱及轉(zhuǎn)角部位樓板中設(shè)置暗梁等構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)，以達(dá)到提高其扭轉(zhuǎn)剛度的目的。剪力墻豎向布置宜沿房屋高度通高布置、上下對(duì)齊、連續(xù)布置，墻厚及墻長(zhǎng)沿高度宜均勻變化，以達(dá)到豎向剛度逐漸變小，從而能夠有效避免豎向剛度發(fā)生突變情況。這樣既經(jīng)濟(jì)又能滿足承載力、側(cè)向變形的要求。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)的布局對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性有直接的影響。目前，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。在滿足安全的前提條件下，最大限度地利用有限的資源，是結(jié)構(gòu)工程師要去探索的問題。因此，在合理布置剪力墻的前提下，盡可能節(jié)約經(jīng)濟(jì)，降低工程造價(jià)。而對(duì)于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分或者計(jì)算模型與實(shí)際情況不相吻合的部分，至少使用兩種不同結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行了分析計(jì)算，并進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加固了結(jié)構(gòu)。在概念布局的早期階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)與建筑師密切合作，確定合理的安排以避免不規(guī)則或嚴(yán)重的不規(guī)則的平面與立面。實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)，安全適用，經(jīng)濟(jì)合理的總體設(shè)計(jì)，達(dá)到降低總成本的目的。
3剪力墻的特征及其種類
從整體上來說剪力墻的特點(diǎn)有下面幾點(diǎn)，其側(cè)向剛度很強(qiáng)。還有一個(gè)相對(duì)比較小的側(cè)移，如果發(fā)生地震可以吸收更多的地震能量。在剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，室內(nèi)墻體很平整，但剪力墻結(jié)構(gòu)，在施工的時(shí)候需要很多環(huán)節(jié)，所以造價(jià)相對(duì)較高。如果按照剪力墻結(jié)構(gòu)開洞與否可分為以下幾種：小開洞剪力墻、壁式框架、實(shí)體墻、雙肢或多肢剪力墻等。這些剪力墻各有不同的應(yīng)用特點(diǎn)，每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)具體的建筑結(jié)構(gòu)，選擇合適的剪力墻結(jié)構(gòu)形式。
4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)受力分析
剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有自己的設(shè)計(jì)原理及其原則。由于剪力墻通常比普通墻的厚度大且寬，所以它的特征比較像板，但是還是有一定的區(qū)別，剪力墻通過壓彎構(gòu)件計(jì)算，板根據(jù)彎曲構(gòu)件計(jì)算。因此有必要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中考慮到具體的設(shè)計(jì)差異。此外剪力墻墻肢長(zhǎng)度，壁厚范圍都有自己的特點(diǎn)，當(dāng)高度和墻段比厚度小于或等于4，應(yīng)按框架柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；當(dāng)墻肢截面高度與厚度之比大于8時(shí)，使用一般剪力墻；當(dāng)墻肢截面高度與厚度之比在4~8之間時(shí)，則要使用短肢剪力墻，這些也是剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則。剪力墻結(jié)構(gòu)由一系列縱向剪力墻和橫向剪力墻以及由空間結(jié)構(gòu)組成的梁板組成。在兩種負(fù)荷的主要：一是豎向荷載，豎向荷載主要是梁板傳來的活載、恒載、豎向地震作用及剪力墻身自重；其他主要是水平荷載，地震作用和水平風(fēng)荷載。剪力墻內(nèi)力和變形分析包括承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分析。在極限承載力狀態(tài)下，剪力墻在各種工況下不受破壞，能安全承受重力荷載。在正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)經(jīng)久耐用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的變形主要是剪切變形，剪力墻的變形主要是彎曲變形。為了實(shí)現(xiàn)剪力墻的彎曲破壞的延性破壞模式?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中有規(guī)定，墻的長(zhǎng)度最好不要超過8m。事實(shí)上，有兩個(gè)主要因素影響剪力墻的破壞模式是軸壓比和剪跨比，只要軸壓比小于規(guī)定的限值而剪跨比大于2，可以實(shí)現(xiàn)延性破壞模式。當(dāng)剪力墻的長(zhǎng)度超過8m時(shí)，盡可能在墻體中部開洞，形成一個(gè)雙墻肢，通過弱連梁連接，一般來說剪跨比也會(huì)大于2，可以滿足延性破壞的要求。在地震作用下，通過連接梁的能量，梁端首先進(jìn)入塑性變形，形成塑性鉸，使梁成為抗震的第一道防線。
5連梁設(shè)計(jì)
高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，由于墻長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)通過開洞或剪力墻平面內(nèi)梁跨較小形成連梁，如果出現(xiàn)跨高比較小的連梁，在計(jì)算過程中，容易產(chǎn)生過度抗剪的連梁，通常有以下解決方案：①增大連梁的截面積，可以增強(qiáng)連梁本身的抗剪能力，但梁的剛度相應(yīng)也會(huì)增加，吸收的地震力也會(huì)增加，只能增加有限的抗剪承載力。在梁寬固定的情況之下，可以使用加高梁高的方法；當(dāng)梁高是一定的，可以擴(kuò)大梁寬，增大斷面的連接剛度，但寬度對(duì)連梁剛度貢獻(xiàn)較小，僅是一個(gè)線性關(guān)系，使得分擔(dān)剪力的增加值小于抗剪力的提高值。②調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)力，在提高連梁截面對(duì)提高抗剪承載力沒有影響的狀況下，可人為的降低連梁的剛度，來控制剪切力的分配比例，并解決了連梁的抗剪性能問題。最簡(jiǎn)單的控制方法是在計(jì)算參數(shù)選擇時(shí)，通過調(diào)整連梁剛度折減系數(shù)，只有在采用內(nèi)力配筋計(jì)算時(shí)才可以。在整個(gè)計(jì)算和非地震荷載作用下，連梁的剛度不會(huì)降低，連梁應(yīng)具有足夠的抗彎承載力和抗剪承載力，以滿足正常使用的要求。對(duì)于跨高比大于5的連梁，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的框架梁，滿足框架梁的要求。③可作水平縫從而形成雙連梁、多連梁或其他結(jié)構(gòu)措施，以提高抗剪承載力，如設(shè)置交叉暗支撐等措施，以提高連梁的抗剪承載力。
6結(jié)語
中國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體水平與發(fā)展規(guī)模都在提升，高層建筑將成為現(xiàn)代建筑的主流。剪力結(jié)構(gòu)在側(cè)向剛度、側(cè)向變形等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。因此掌握剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很好的把握。我們要從設(shè)計(jì)的基本原則出發(fā)，設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理的剪力墻結(jié)構(gòu)。因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理有明確的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，不斷從設(shè)計(jì)實(shí)踐出發(fā)來推動(dòng)中國(guó)建筑業(yè)整個(gè)工藝設(shè)計(jì)水平的提高。本文從剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念開始。就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，希望以此促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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湖南株洲某住宅小區(qū)由多棟多層和9～15層小高層住宅組成,框剪結(jié)構(gòu),總建筑面積為120000m2。以地上9層小高層為例,標(biāo)準(zhǔn)1層結(jié)構(gòu)單元見圖1,層高3m;9層上有個(gè)躍層為第10層,局部突出屋面部分為電梯機(jī)房。建筑總面積為4337.18m2,建筑總高為27.600m。本工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,按6度設(shè)防,地面粗糙度為C類,場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。
2結(jié)構(gòu)方案布置分析與選擇
原結(jié)構(gòu)方案采用一般的剪力墻結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于房屋高度不太大的小高層建筑來說,這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成剛度過大,重量增加,導(dǎo)致地震反應(yīng)過強(qiáng),使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高。所以,為了有效提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo),經(jīng)多方案論證,決定采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢截面高度為厚度5～8倍的剪力墻結(jié)構(gòu),和一般剪力墻相比,這種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)在于:
1)墻肢較短,布置靈活,可調(diào)整性大,容易滿足建筑平面的要求。
2)減少了剪力墻而代之以輕質(zhì)砌體,結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)減輕,從而減小結(jié)構(gòu)整體剛度,增大振動(dòng)周期,降低地震作用力。
3)墻肢高寬比較大,延性較好,對(duì)抗震有利。
4)連梁跨高比較大,以受彎破壞為主,地震作用下首先在弱連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸,能起到很好的耗能作用。
5)墻肢的承載力得到了較充分的發(fā)揮。
目前,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002已對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作出了規(guī)定。
在本住宅結(jié)構(gòu)平面布置中,盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ,短肢剪力墻雙向布置,盡量拉通、對(duì)直,豎向布置中,力求規(guī)劃均勻,避免有過大的外挑、內(nèi)收,以及樓層剛度沿豎向突變,使整個(gè)房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線,以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
根據(jù)建筑的平面布置,在房間、樓梯間、電梯間的四角,采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系,使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開場(chǎng)地土的卓越周期,以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振,既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi),又要保證建筑物有相對(duì)合理的自振周期,做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理且實(shí)用。
本方案根據(jù)上述分析并經(jīng)過多次調(diào)試,得到了4種結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為100mm。剪力墻、梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25。主要連梁的尺寸大都為200mm×400mm。標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度為120mm,頂層樓板厚度為150mm,有別于肢長(zhǎng)肢厚比不大于4.0的異形柱,短肢剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比按規(guī)范要求控制在5~8范圍內(nèi),一般剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比均大于8。值得注意的是,對(duì)肢長(zhǎng)肢厚比為4~5范圍內(nèi)的墻肢,目前規(guī)范尚無明確條文規(guī)定其構(gòu)件類型,故設(shè)計(jì)時(shí)建議不要采用。
由于原方案的剪力墻過多,使底部剪力過大,使結(jié)構(gòu)很不經(jīng)濟(jì),同時(shí)布置了少量鋼筋混凝土柱子,使結(jié)構(gòu)不是很合理。故方案1在一般剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉了構(gòu)造柱并減少了少量的剪力墻(見圖2a)。
在方案1基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)臏p少一些剪力墻,從而使方案更經(jīng)濟(jì),在調(diào)試過程中由于F軸剪力墻較少,從而使電梯間X方向的剪力墻承受過大的剪力造成超筋,故把電梯間X方向的剪力墻開洞口,使結(jié)構(gòu)X向的剛度減少。(見圖2b)
方案3是在方案2的基礎(chǔ)上改善了Y方向的剛度,使兩個(gè)方向的剛度相接近,使結(jié)構(gòu)更合理且均勻?qū)ΨQ(見圖2c)。
在方案3的基礎(chǔ)上把Y向的一些T型剪力墻變成一字型,雖然在多層、高層住宅設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免一字型,但由于該結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,所以采用了部分一字型(見圖2d)。
3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析
3.1計(jì)算結(jié)果分析
從構(gòu)件力學(xué)特性上來說,短肢剪力墻的肢長(zhǎng)與肢厚比≥5.0,更接近于剪力墻,故計(jì)算時(shí)將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。因此,結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的SATWE程序(2003年版)進(jìn)行。SATWE采用的是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度,可以較好地模擬工程中剪力墻的真實(shí)受力狀態(tài),計(jì)算結(jié)果較精確;同時(shí),對(duì)樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則,立面也無剛度突變現(xiàn)象,但由于剛度較大的電梯井處筒體有點(diǎn)偏置,會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響,為了計(jì)算準(zhǔn)確,地震作用計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響,取了27個(gè)振型計(jì)算。
1)自振周期的控制
考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的自振周期(計(jì)算時(shí)自振周期折減系數(shù)取0.8)如表1(只列了前6個(gè))所示。從表1可得,方案4結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3=0.9959s,平動(dòng)為主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.854<0.9,滿足(JGJ3-2002)
第4.3.5條的規(guī)定。
2)結(jié)構(gòu)位移的控制
最大層間位移角(應(yīng)≤1/1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5)見表2。從中可以看出,結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。
3)剪重比控制
剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標(biāo)之一,地震力計(jì)算不能偏大,但也不能太小。因?yàn)槎讨袅Ρ旧淼挚沟卣鸬哪芰^差,如果短肢剪力墻分配的地震力太大,則很有可能不滿足要求。本工程X方向的最小剪重比為4.50%,Y方向的最小剪重比為4.62%,根據(jù)“抗震規(guī)范”(5.2.5)條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為3.20%,所以各層均滿足要求。
4)軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力,“規(guī)范”對(duì)短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。上述工程出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比在0.20~0.45之間,軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值。
3.2短肢剪力墻結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析
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。材料的單方造價(jià)混凝土為430元/m3,鋼筋4200元/t。表4為方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總,由表4知,方案4比一般剪力墻結(jié)構(gòu)在總造價(jià)上要節(jié)約17.8%,使材料得到了充分的發(fā)揮。
4結(jié)語
本文針對(duì)小高層住宅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu),在比普通剪力墻結(jié)構(gòu)方案節(jié)省投資17.8%的情況下,使結(jié)構(gòu)受力更合理,整體變形能力和結(jié)構(gòu)吸能能力對(duì)抗震更為有利。本工程剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢,因而設(shè)計(jì)時(shí)在以上部位布置L型或一字型短肢墻,受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻,設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制其軸壓比<0.6,且相差不應(yīng)太懸殊,避免墻肢應(yīng)力差異過大。高層建筑中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件,對(duì)抗震不利。多、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許連梁的剛度有所下降。但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻肢剛度相對(duì)較小,連接各墻肢的梁已類似普通框架梁,而不同于一般剪力墻間的連梁,不應(yīng)在計(jì)算的總體中將連梁的剛度大幅下調(diào),使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低,應(yīng)按普通框架梁的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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剪力墻是指在建筑工程中用于承受地震、風(fēng)荷載等作用引起的水平荷載墻體，剪力墻也可以稱為抗震墻、抗風(fēng)墻，剪力墻的主要目的是為了避免建筑承受剪切作用造成的破壞。剪力墻結(jié)構(gòu)是指采用鋼筋混凝土墻板承受來自水平方向和垂直方向荷載的結(jié)構(gòu)，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，施工單位經(jīng)常會(huì)使用鋼筋混凝土墻板代替建筑物框架結(jié)構(gòu)的梁柱，從而有效地控制建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載，剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的剛度、抗震性，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有十分廣泛的應(yīng)用。
2剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則
剪力墻的特點(diǎn)是外平面承載力小，內(nèi)平面承載力大，外平面剛度小，內(nèi)平面剛度大，因此，當(dāng)剪力墻和外平面方向的梁連接時(shí)，會(huì)產(chǎn)生墻肢平面外彎矩，因此，在設(shè)計(jì)過程中，要盡量避免剪力墻的外平面搭接。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量沿著主軸的方向進(jìn)行多向布置，盡可能的將不同方向的剪力墻連接在一起，但要防止出現(xiàn)拉通對(duì)直的現(xiàn)象;在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量保證兩個(gè)方向的側(cè)向剛度相同，并且剪力墻結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，防止出現(xiàn)單向有墻的情況，同時(shí)要盡量保證各個(gè)方向的剪力墻分布均勻，從而充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的工作性能。剪力墻的數(shù)量要科學(xué)、合理，如果剪力墻比較多，會(huì)增加抗側(cè)力的剛度，從而引起震力和重力的增加;如果剪力墻數(shù)量比較少，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力則會(huì)減小。
3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用
3．1剪力墻平面布置
在進(jìn)行剪力墻平面布置時(shí)，要盡量防止出現(xiàn)單向有墻的情況，剪力墻要沿著主軸及其他方向進(jìn)行雙向、多向布置;剪力墻的抗側(cè)力剛度不能太大，一般情況下，為了充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度和承載力，可以適當(dāng)?shù)脑黾蛹袅Φ拈g距，從而保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度合適。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式T=(0．05－0．06)n(其中n為層數(shù))，計(jì)算出T值，從而判斷剪力墻的數(shù)量及側(cè)向剛度。如果計(jì)算結(jié)果T比搭模計(jì)算周期T1大，則可以適當(dāng)?shù)脑黾蛹袅Φ臄?shù)量;如果計(jì)算結(jié)果T比搭模計(jì)算周期T1小，則說明剪力墻比較多，可以適當(dāng)?shù)臏p少剪力墻的數(shù)量或者鑿開一些合理的孔洞，降低剪力墻的剛度。
3．2約束邊緣構(gòu)件處理
無約束邊緣構(gòu)件剪力墻和有約束邊緣構(gòu)件剪力墻相比較，其極限承載力降低40%，極限層間位移角就會(huì)減少一倍，對(duì)地震能量的消耗能力就會(huì)減少20%，因此，在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)不同級(jí)別的剪力墻軸壓比，選用相對(duì)應(yīng)的邊緣構(gòu)件。剪力墻邊緣構(gòu)件可以分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩種情況，對(duì)于一級(jí)剪力墻和二級(jí)剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)剪力墻底部加強(qiáng)部位上面的普通部位和三級(jí)、四級(jí)非抗震設(shè)計(jì)建筑底部加強(qiáng)部位軸壓比小于相關(guān)規(guī)定時(shí)，要設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件;當(dāng)一級(jí)剪力墻和二級(jí)剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)剪力墻底部加強(qiáng)部位和高層建筑、重力荷載作用下墻體的軸壓比大于相關(guān)規(guī)定，要設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。
3．3剪力墻墻身鋼筋
在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下，對(duì)于四級(jí)抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)，剪力墻水平方向和垂直方向的分布筋配筋率不能小于0．20%;對(duì)于一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)抗震設(shè)計(jì)，剪力墻水平方向和垂直方向的分布筋配筋率要小于0．25%。
3．4剪力墻連梁?jiǎn)栴}
在剪力墻結(jié)構(gòu)中，在水平荷載的作用下，墻肢會(huì)發(fā)生變形，從而引起連梁產(chǎn)生內(nèi)力，這時(shí)連梁端部的內(nèi)力會(huì)減小連接墻肢產(chǎn)生的變形內(nèi)力，從而約束墻肢變形，連梁對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)十分重要，因此，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意連梁?jiǎn)栴}的處理。連梁超筋是剪力墻連梁常見的問題，其本質(zhì)是剪力剪壓比無法滿足相關(guān)要求，當(dāng)墻段比較長(zhǎng)時(shí)，連梁容易超筋的部位大多集中在中間段;當(dāng)墻段中墻肢截面高度相差比較大，并且分布不均勻時(shí)，墻肢處連梁容易出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。出現(xiàn)連梁超筋現(xiàn)象后，可以采用以下幾種方法進(jìn)行處理:(1)可以通過調(diào)整剪力墻中連梁彎矩剪力塑形進(jìn)行處理;(2)根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)臏p少連梁截面高度;(3)當(dāng)連梁破壞對(duì)垂直方向的荷載影響不大時(shí)，可以從地震作用的角度進(jìn)行思考，放棄使用該連梁，計(jì)算獨(dú)立墻肢在多遇地震情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，墻肢配筋則應(yīng)按照兩次計(jì)算得出的大內(nèi)力進(jìn)行。
4建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求
4．1平面結(jié)構(gòu)布置
平面結(jié)構(gòu)要具有良好的整體性，同時(shí)要做到簡(jiǎn)單、均勻?qū)ΨQ、規(guī)則，對(duì)于長(zhǎng)度、寬度比較大，或者不規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，要設(shè)置合理的溫度伸縮縫，從而有效地提高結(jié)構(gòu)的整體性，為增強(qiáng)抗扭效果，要盡量沿著周邊布置剪力墻，對(duì)于質(zhì)量中心和結(jié)構(gòu)剛度中心偏差比較大的結(jié)構(gòu)，在地震作用下，受扭轉(zhuǎn)力的影響會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞，因此，在設(shè)計(jì)過程中要注意盡量將質(zhì)量中心和結(jié)構(gòu)剛度中心重合在一起。
4．2垂直結(jié)構(gòu)布置
在建筑的豎向荷載中，其主要是由樓面荷載以及結(jié)構(gòu)自重通過樓面?zhèn)鬟f到剪力墻的。其具有著兩種表現(xiàn)形式，一種是由連梁所產(chǎn)生的彎矩，一種是墻肢內(nèi)具有的軸力。在我們對(duì)豎向荷載進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要是以其受荷面積進(jìn)行計(jì)算的，而在水平荷載計(jì)算時(shí)，則主要是借助計(jì)算機(jī)的有限元方式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，通過這種建筑受力情況的科學(xué)估算，能夠有效地為我們后續(xù)的結(jié)構(gòu)布置提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在高層建筑中，剪力墻結(jié)構(gòu)一般都是以雙向布置的方式形成空間結(jié)構(gòu)。在剪力墻布置過程中，非常關(guān)鍵的一個(gè)問題就是要保證力所具有的均衡性，要通過建筑中心同剛度中心距離的接近避免建筑出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在對(duì)其實(shí)際布置時(shí)，我們會(huì)看到當(dāng)剪力墻抗側(cè)剛度過大時(shí)，其所具有的自振周期也會(huì)隨之增大。面對(duì)此種情況，設(shè)計(jì)人員則可以通過加大墻體間距的方式使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度能夠得到降低，可以說，通過剪力墻的合理布置，能夠有效地提升高層建筑的穩(wěn)定性。
2剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜、專業(yè)的過程，其中具有著很多個(gè)設(shè)計(jì)步驟。對(duì)此，就需要我們?cè)趯?duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前就能夠?qū)袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行充分的了解，并對(duì)墻肢所具有的厚度與長(zhǎng)度進(jìn)行確定。之后，則需要開展連梁以及邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)，最終對(duì)地震荷載進(jìn)行計(jì)算。
2.1墻肢長(zhǎng)度與厚度的設(shè)計(jì)
之前我們已經(jīng)提到過，在剪力墻設(shè)計(jì)的過程中其長(zhǎng)度不應(yīng)當(dāng)過長(zhǎng)。對(duì)此，我們就需要對(duì)墻肢長(zhǎng)度設(shè)置進(jìn)行一定的控制，避免長(zhǎng)度過長(zhǎng)。一般來說，墻肢長(zhǎng)度不應(yīng)當(dāng)超過8m，且跨高比應(yīng)當(dāng)大于6，并以此幫助我們獲得更為穩(wěn)定的剪力墻設(shè)計(jì)。在厚度方面，我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)時(shí)則需要能夠?qū)袅λ哂械姆€(wěn)定性以及剛度作出保證。通常來說，一般居民建筑的填充墻厚度會(huì)保持在200mm左右，在剪力墻厚度設(shè)計(jì)時(shí)也將其設(shè)置為200mm。而對(duì)于部分不含地下室的高層住宅來說，則將其基礎(chǔ)埋深選擇在2.5m以上，強(qiáng)度高度在5m以上，之后再根據(jù)適當(dāng)?shù)谋壤龑?duì)剪力墻進(jìn)行確定。但是對(duì)于這種方式來說，其很可能使最終的剪力墻厚度大于填充墻厚度，這也是非常不利于我們高層建筑設(shè)計(jì)的。對(duì)此，就需要我們?cè)趯?duì)剪力墻厚度設(shè)計(jì)時(shí)能夠在聯(lián)系建筑實(shí)際情況、相關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)程的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。
2.2連梁的設(shè)計(jì)
連梁就是對(duì)墻肢之間進(jìn)行連接的梁，其不僅能夠幫助我們對(duì)不同墻肢進(jìn)行連接，同時(shí)也能夠在水平荷載的作用下使墻肢因?yàn)槌霈F(xiàn)變形情況對(duì)連梁產(chǎn)生一種內(nèi)力，并以這種內(nèi)力的產(chǎn)生對(duì)墻肢施加一種穩(wěn)定的約束作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，首先需要重點(diǎn)關(guān)注的就是截面尺寸以及連梁跨高比這兩個(gè)指標(biāo)。如果連梁剛度過大，就需要我們對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，但是，在對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，僅僅根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)很難幫助我們實(shí)現(xiàn)配置的折減，對(duì)此，就需要我們能夠允許其適當(dāng)?shù)某霈F(xiàn)開裂的情況，并以這種開裂情況的存在將內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻體上來實(shí)現(xiàn)折減的效果。而在折減過程中，也需要我們能夠?qū)φ蹨p的系數(shù)引起充分的重視，通常來說，如果防裂度較低，那么我們就可以根據(jù)情況折減的少一些，而如果防裂度較高，就可以折減的多一些。但是，無論我們折減的多、少，都需要保證折減系數(shù)應(yīng)當(dāng)大于或者等于0.5，因?yàn)橹挥性谶@種折減系數(shù)下才能夠使連梁所承受到的豎向荷載能夠得到保障。而在連梁剛度方面，我們則可以通過增加剪力墻洞口寬度的方式減小連梁剛度，因?yàn)楫?dāng)整體結(jié)構(gòu)的剛度降低時(shí)，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)的地震作用也會(huì)因此降低，并可以保證連梁所具有的承載力不會(huì)出現(xiàn)超限的情況。另外，混凝土也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)注意的問題，通過混凝土等級(jí)的提升，也能夠?qū)B梁抗剪承載力的不超限情況起到一個(gè)保障作用。
2.3邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)
邊緣構(gòu)件也是我們?cè)诩袅υO(shè)計(jì)過程中非常重要的一項(xiàng)工作。對(duì)于邊緣構(gòu)件而言，有約束邊緣構(gòu)件的矩形截面剪力墻和無約束邊緣構(gòu)件剪力墻相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，具有著更高的基線承載力，同無約束情況相比其承載力能夠提升約40%左右。而在類型方面，邊緣構(gòu)件主要有構(gòu)造邊緣構(gòu)件以及約束邊緣構(gòu)件這兩種，在實(shí)際應(yīng)用的過程中都需要我們?cè)诼?lián)系建筑實(shí)際情況的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。
2.4地震荷載及內(nèi)力設(shè)計(jì)
如果建筑主體結(jié)構(gòu)布置情況較為簡(jiǎn)單，那么我們?cè)趯?duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)則可以通過空間協(xié)同平面框架的應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。而如果建筑主體結(jié)構(gòu)布置情況較為復(fù)雜，我們則可以通過空間分析程序?qū)ζ湮灰?、?nèi)力等因素進(jìn)行分析。同時(shí)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們也需要以簡(jiǎn)化計(jì)算的原則開展設(shè)計(jì)工作，且在對(duì)地盤長(zhǎng)寬進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要能夠在結(jié)合建筑主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬的基礎(chǔ)上對(duì)其開展分析工作，并盡可能地以成比例的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3結(jié)束語
在進(jìn)行建筑剪力墻機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范要求，是否滿足實(shí)際運(yùn)行的情況，在進(jìn)行計(jì)算以后，把一些沒有必要的多余量刪除，計(jì)算一定要精準(zhǔn)，多余量只能說明計(jì)算仍然缺少控制能力，在確保計(jì)算準(zhǔn)確的情況下，有些甚至不需要看計(jì)算書或是建筑方案，這樣就可以省去一些不必要的步驟，比如說剪力墻的結(jié)構(gòu)剛度不能夠過大，應(yīng)該是以規(guī)定要求的樓層最小剪力系數(shù)為目標(biāo)，這樣可以使計(jì)算結(jié)果接近規(guī)范限值。在布置剪力墻的時(shí)候，我們應(yīng)該將它布置成雙向的，而不僅僅是單向設(shè)置，以此來形成空間的結(jié)構(gòu)；尤其是對(duì)于那些抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，更應(yīng)該避免僅單向布置剪力墻。而將剪力墻布置成雙向結(jié)構(gòu)來形成的空間結(jié)構(gòu)，我們可以利用這個(gè)優(yōu)點(diǎn)來做些其他的設(shè)計(jì)，而且剪力墻自身對(duì)負(fù)重的能力較高，我們可以減少對(duì)材料的投資，并且減少材料本身對(duì)自然環(huán)境的污染。我們不僅達(dá)到了對(duì)剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，還減少了環(huán)境的污染，這樣就符合我們?cè)疽庠浮Ｎ覀冞@樣還可以對(duì)規(guī)范的要求更加理解，做到靈活使用，讓我們的設(shè)計(jì)更加完美。
2、剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其應(yīng)沿著主軸方向雙向或多向布置。不同方向的剪力墻宜聯(lián)結(jié)在一起，應(yīng)盡量拉通、對(duì)直成為工形、T形、L型等有翼緣的墻，形成一定空間結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，為了使其具有有較好的空間性能，不能單向設(shè)置剪力墻。應(yīng)使兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度相近，剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則。為了能充分利用剪力墻結(jié)構(gòu)的能力，在設(shè)計(jì)時(shí)必須減輕墻體結(jié)構(gòu)的自量、加大空間面積、提高剪力墻的承載力和抗側(cè)剛度等。除此之外，剪力墻的布置不能太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。若側(cè)向剛度過大，不僅加大自重，還會(huì)使地震力增大。
2.2剪力墻墻段設(shè)計(jì)要求是墻體規(guī)則、豎向剛度均勻，門窗孔洞整齊，要有明確的剪力墻肢和連梁，它們之間的應(yīng)力應(yīng)該分布均勻，要符合目前常用的計(jì)算簡(jiǎn)圖，避免一些剛度差異過大引起的問題。
2.3如果剪力墻較長(zhǎng)，應(yīng)先將其平均分成多個(gè)墻體，開挖孔洞，各剪力墻之間的連接部分采用弱連梁連接的方法。但值得注意的是，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免開挖孔洞，并且在兩個(gè)孔洞之間形成墻體肢截面高度與厚度比小于四的小墻肢。當(dāng)墻厚大于小墻肢截面的四分之一時(shí)，需按框架柱設(shè)計(jì)要求對(duì)箍筋進(jìn)行全高加密。
2.4當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的剛度和承重力較大，而平面外剛度和承載力相對(duì)較小。為了保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性，就應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩。
2.5剪力墻的設(shè)置能夠影響到結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度的大小，為避免剛度發(fā)生改變，應(yīng)自下而上連續(xù)布置。但是值得注意的是，若剪力墻沿高度不連續(xù)，會(huì)對(duì)導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度沿高度而發(fā)生突然變化。
3、剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施
3.1注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
新時(shí)期高層建筑越來越多，使用功能也是逐漸的多樣化，對(duì)于一些多功能的高層建筑來說，上下兩部分的使用功能是不一樣，因此就要考慮到轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分的考慮到大空間的剪力墻轉(zhuǎn)換難度大，調(diào)整上下之間的剛度使之達(dá)到相互接近值，由于轉(zhuǎn)換層本身的剛度和質(zhì)量不應(yīng)該大，可以通過在水平力的作用下，精確的分析轉(zhuǎn)換層位移角是否均勻，通過仔細(xì)的分析可能存在的問題，研究具體結(jié)構(gòu)的內(nèi)分配問題，才能保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性。
3.2優(yōu)化連梁設(shè)計(jì)
對(duì)于連梁非抗震及抗震設(shè)計(jì)，高跨比大于和小于2.5這兩種情況，規(guī)范在截面受剪承載力以及配筋這兩個(gè)方面都有明確的要求。塑性調(diào)幅可以采取以下兩種方法：①將連梁的剛度在內(nèi)力計(jì)算之前進(jìn)行折減。②將連梁的彎矩與剪力的組合值在內(nèi)力計(jì)算之后再乘上一個(gè)折減系數(shù)。不管是采用哪種方法，應(yīng)該確保經(jīng)過調(diào)整后連梁的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不得小于使用階段實(shí)際值，也不得低于設(shè)防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設(shè)計(jì)值。防止在正常使用狀況下或者較小地震作用下產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全。另外，還必須要重視連梁的鉸接處理。
3.3底部加強(qiáng)部位的設(shè)計(jì)優(yōu)化
一般在進(jìn)行高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，最底部分的高度可以獲取嵌固部位以上，墻肢總高度的十分之一和底部?jī)蓪拥妮^大值；底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度可取框支層加上框支層以上二層的高度及落地抗震墻肢總高度的十分之一二者的較大值。當(dāng)將地下室頂板視作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位將發(fā)生在地上樓層，同時(shí)將影響到地下一層，此時(shí)地下一層的抗震等級(jí)不能降低，加強(qiáng)部位的范圍應(yīng)向下延伸到地下一層，并應(yīng)按規(guī)范要求在地下一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。
4、結(jié)束語
