高层建筑剪力墙结构优化设计浅析

王艳军

剪力墙结构刚度大,整体性好,用钢量较省,在高层住宅、旅馆等居住性建筑中,居室和客房均为小间,分隔墙较多,采用现浇剪力墙结构,可以将承重墙与分隔墙合二为一,相对来说比较经济。另外,室内较框架结构简洁,没有露梁、露柱现象,外形美观,便于室内布置。因此,在高层住宅、旅馆中常采用现浇剪力墙结构。将剪力墙结构运用到高层住宅、旅馆中,除具有以上优点外,还有一些缺点:1)剪力墙结构抗侧刚度大,会引起较大的地震反应,使得上部结构和基础费用增加;2)由于混凝土墙体较多,使得建筑物重量增加,这也同样引起较大的地震反应,造成浪费;3)剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低,使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥;4)剪力墙结构中墙体多为构造配筋,配筋率较低,使得结构延性较差。在高层剪力墙结构设计中,怎样既发挥它具有足够的抗侧能力等优点,又改进其工程费用较高的缺点成为一个关键问题。因此,近年来工程界对高层剪力墙结构的优化布置给予了更多的关注,而且也取得了一定的进展。目前,《高规》对高层建筑的结构选型,尤其是合理布置,尚未做出一个明确的具体的规定。因此,结合实际的工程背景,对高层剪力墙结构的优化布置进行研究很有必要。

1 剪力墙结构设计的优化

1.1 剪力墙结构构件的经济含钢量

随着我国建筑结构的高度越来越高,高层建筑结构采用剪力墙形式已经不是新鲜事务。经过我国多年的设计及成功的施工经验累计,对高层建筑剪力墙结构构件适宜的含钢量已经有了一些数据上的统计,该经验值统计如表1所示。依据这些含钢量的指标可以对结构设计的经济性起到一定的指导作用。

表1 含钢量经验值统计表

对各种不同结构体系的用钢量的经验统计结果如表2所示。

表2 单位面积钢筋量 kg/m2

1.2 剪力墙结构的适宜方案

剪力墙结构设计的方案有多种选择,选择适宜的结构形式,不仅能保证建筑结构的安全性,而且能大幅度的降低工程造价。在设计方案及初步设计阶段正确地选择建筑的结构体系以及构件的截面及采用的材料,对整个建筑的经济性影响是相当大的。选择较为合适的结构体系,可以在方案阶段总体控制成本。同时由于上部使用功能的差别,构件截面类型也会有差异,从而导致成本差异。因此必须在方案设计阶段确定适宜的结构形式。

层数较小(比如20层以下)的高层住宅,可采用短肢剪力墙结构体系。20层以下的高层住宅采用传统的现浇剪力墙结构,各墙肢轴压比计算值往往较小,墙体配筋为构造配筋,墙体承载能力远远没有发挥出来,工程费用较高,这时若采用短肢剪力墙结构,以上不足之处就可以得到解决。在7度区,20层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构,结构顶点位移、周期、水平地震剪力一般可控制在合理的范围内。采用短肢剪力墙结构,由于合理地将一部分钢筋混凝土墙置换成砖墙或其他砌体,使得结构自重减轻,将偏大的结构刚度降下来,结构地震反应减少,工程费用降低,还增加了结构的延性,使结构的抗震性能提高。

框支剪力墙结构中,上部剪力墙结构可采用短肢剪力墙体系。在框支剪力墙结构中,为了减少上下层的刚度比,不采用加大下层刚度的方法,而采用减少上部剪力墙体系的刚度即改用短肢剪力墙体系,经济效果就十分明显了。

层数较多的高层住宅,最好采用传统的全现浇剪力墙体系。在层数较多的高层建筑中,如采用短肢剪力墙体系,就使结构较柔,结构顶点位移和层间位移就不一定能满足规范要求,底部剪力系数也偏低,结构趋于不安全。但是,在有些情况下若采用传统剪力墙体系,结构刚度计算值还稍偏大时,可将较大的墙肢开设结构洞,或将窗台改为砖或其他砌体等措施加以微调。

2 工程实例的分析

本工程位于我国南方某市,住宅小区总建筑面积达10.8万m2,与本工程类似的住宅楼达10多栋。如果通过对一栋楼进行结构设计分析,找到其中可优化改进的地方,就可使结构设计得到部分的优化、提高建筑产品的性价比、降低单件造价和整个小区的工程造价。进行结构设计分析的住宅楼为地下2层,地上16层,标准层平面布置图如图1所示。总建筑面积约2万m2。地下2层为车库和物业办公用房,层高均为3.6 m,首层商业层高3.4 m,2层及2层以上层为住宅,层高为 2.8 m。建筑类别为丙类。Ⅱ类场地,土质不均匀。

剪力墙及墙厚根据规范及工程层数、层高情况取值如下:1层及地下层250 mm(地下层外墙厚300 mm),2层及2层以上外墙200 mm,内墙180 mm。结构整体计算中剪重比较大结构整体布置有继续优化的可能。从节省造价角度考虑,暗柱、连梁等处构件根据计算结构按构造要求配筋(包括局部按计算配筋的),其中墙体分布筋基本与规范最小配筋及其他构造要求相吻合。优化结构设计不只是抽钢筋。一栋建筑方案产生后,结构的选型和布置就存在优化与否的问题。但是,任何建筑体型都可能有最规则的和最经济的结构布置方案。所以,真正的优化应是全过程的需要各专业的密切配合。经过优化后的计算指标如表3所示,经济指标如表4所示。

表3 优化后的计算指标

表4 优化后的经济指标

3 结语

在剪力墙结构设计中,怎样既能让这种体系刚度大,外观简洁等优点发挥出来,又能克服其工程费高等缺点是设计的关键。本文就其优化设计作了一点简单探讨,在以后的设计工作中应不断总结,以期更好地掌握这种结构体系的设计方法。

[1] JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 李国胜.高层钢筋混凝土结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.