高层住宅剪力墙结构的优化

董静

(成都理工大学环境与土木工程学院,四川 成都 610000)

高层住宅剪力墙结构的优化

董静

(成都理工大学环境与土木工程学院,四川 成都 610000)

由于高层住宅建筑具有开间小,房间面积不大,墙体较多等特点,所以采取剪力墙结构较为合适。本文主要从剪力墙布置的位置,剪力墙墙肢长度,墙厚等方面对高层住宅剪力墙结构优化的概念设计进行了探讨,从而为高层建筑的优化提供了一些理论上的指导。

高层住宅;剪力墙结构;控制因素;结构优化

高层住宅建筑(例如住宅,公寓,酒店等),通常需要在有效占地面积范围内尽可能地争取到更多的建筑面积,采用现浇剪力墙结构具有明显的优势［1］。

结构设计人员在剪力墙结构的设计上一般会采取相对来讲比较保守的结构设计方案,在一定程度上忽略结构的经济性与合理性。因此,对剪力墙结构的优化设计进行研究很有必要。

1 影响高层住宅剪力墙结构优化的相关因素

在高层住宅剪力墙结构的优化过程中需要控制诸多因素,如剪力墙布置位置,剪力墙肢长度,剪力墙厚等。

因为目前《高层建筑混凝土结构设计规程》(JGJ3一2010)［2］(以下简称《高规》)对高层建筑的结构选型和合理布置尚未给出明确的规定。因此,要针对高层住宅剪力墙结构的优化进行深入研究。

1.1 剪力墙数量和位置的不同对结构的影响

剪力墙作为竖向抗侧力构件主要分为两种,一种是既能够承受竖向荷载又能抵抗水平荷载的剪力墙；另一种剪力墙就是既能承受竖向荷载作用又能抵抗侧向力和抵抗扭转的剪力墙［3］。

在能够保证水平和竖向承载能力的前提下,遵从“周边、封闭、成对、对称”的剪力墙的布置原则,要仔细选择对承受水平和竖向荷载有利的位置布置剪力墙,尽量将剪力墙布置的间距拉大。一般可以通过延长剪力墙墙肢的长度,减少剪力墙的数量,从而使结构整体抗侧刚度增加,边缘构件的数量减少。

通过控制层间位移比,扭转位移比,周期比这三个主要指标,就可以从宏观上基本控制结构的刚度,以防结构刚度太大或太小,以控制该结构的扭转。对比同一建筑的不同模型(剪力墙位置不同)的周期比与位移比我们可以得出结论：剪力墙应最大限度地布置在结构的四周,这样能更好地提高结构的抗侧性能。

1.2 剪力墙墙肢长度对抗侧刚度影响

在结构设计中布置剪力墙时,应该尽量避免使一些墙肢成为长墙。如果这些墙肢较长而其他墙肢较短时,墙肢较长的墙就会承担的较大的地震力,地震来临时,一旦长墙肢发生破坏,其余墙肢参与组成的第二道抗震防线便起不到任何作用。因此,我们应尽可能地做到是结构刚度的分布均匀［4］。

由《高规》可知,剪力墙墙肢长度一般不宜大于8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性,细长的剪力墙(高宽比大于3)容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时,为了满足每个墙段高宽比大于3的要求,可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙,洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比一般宜大于6),使其可近似认为分成了独立墙段。满足以上要求的情况下,墙肢的长度越长,其抗侧刚度越优,抵抗扭转性能更好［2］。

剪力墙受剪承载力相对较大,大多数情况下其抗剪不起控制作用,在实际工程设计中剪力墙截面的设计可以由轴压比控制,以保证剪力墙具有足够的延性。与此同时各片墙体的轴压比宜尽量均匀,这样做的直接目的就是可以保证各层各片大部分的剪力墙都能够均匀受力,使其处于抗震构造配筋状态。所以宜使各个墙肢的轴压比相互接近并尽量靠近相对应的结构抗震等级的轴压比限值,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。

为了实现剪力墙的延性破坏形式——弯曲破坏,《高规》中规定墙体长度不宜超过8m。有两个影响剪切破坏模式的主要因素,即剪跨比和轴压比,其中剪跨比应大于2,同时轴压比也要满足规范限值,就能实现延性的弯曲破坏。设计时应能充分保证和体现使结构的竖向和水平向具有合理的刚度以及承受荷载的分布,尽可能地使剪力墙墙肢截面高度略大于8倍的墙厚。

为了保证在地震作用下剪力墙具有足够的延性,《高规》增加了有关剪力墙轴压比的规定,如表1所示。规范只规定了一、二级抗震等级剪力墙底部加强部位及短肢剪力墙一、二、三级抗震等级的轴压比,在进行结构设计时尽量不要把轴压比取得太大,一、二级抗震等级的其他部位及三、四级抗震等级的剪力墙,可以依照一、二级轴压比的限值采用,特殊情况下也可以适当地提高一些(比如延性要求不高的建筑)［2］。

表1 剪力墙墙肢轴压比限制

1.3 墙厚及混凝土强度等级对结构抗侧力性能的影响

剪力墙厚度的确定首先应满足墙体稳定验算的要求,同时还应满足规范中规定的剪力墙截面最小厚度(如表2所示),其目的主要是为了保证剪力墙平面外的刚度和稳定性。

表2 墙肢厚度参考表

高层住宅剪力墙结构的剪力墙厚度应沿结构高度均匀变化,不能为了节约成本、增加建筑的使用面积,而一味地布置大量的200mm厚剪力墙；或在结构上部任意减少剪力墙的数量,使得上下结构刚度突变,不利于抗震。

在剪力墙平面布置一致的情况下,高层住宅建筑的结构随着剪力墙厚度的增加,周期及周期比明显下降,结构在两个方向的最大层间位移角也下降。在剪力墙数量不变的情况下,适当的减小墙体的厚度,结构的抗侧刚度和地震力就会减小,结构的自振周期增大。

2 结语

随着经济和社会的不断进步和发展,拔地而起的高耸建筑物的越来越多,高层住宅也不例外。那么在这些高层建筑中应用最多的要属剪力墙结构,所以对高层住宅剪力墙结构优化的必要性显得尤为突出。随着绿色建筑这个理念的不断成熟,相信建筑结构的优化将会成为未来的趋势,但是对剪力墙结构的优化设计不能仅仅停留在为了能够降低工程造价这个层面上,应在保证结构安全的前提下,做到建筑的合理性,更好的保证建筑的各种使用功能。

［1］姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨［D］.重庆大学,2006.

［2］中国建筑科学研究院.高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社,2011.

［3］姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨［J］.四川建筑科学研究,2007.

［4］冯中伟,刘宜丰.高层剪力墙住宅结构优化设计［J］.建筑结构,2010,40(9):124～127.

OPtimiZation Idea and Method of Shear Wall Structure in High-rise Buildings

Dong Jing
(School of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610000)

Because the high一rise residential buildings have the characteristics of small roomsand lots ofwalls,and the room area is not large,it is more suitable totake shear wall structure.This paper mainly discusses the concept design of high一rise residential shear wall structure from the layout of the shear wall,shear wall limb length and wall thickness,so as to give some theoretical guidance to the optimization of high一rise building.

High一rise residential building;shear wall structure;control factor;structural optimization

TU973

A

1003一5168(2015)07一0123一2

2015一6一9

董静(1956一),女,硕士,研究方向:高层住宅结构。