程家魁
摘要:在当前高层建筑体系的构建过程当中,剪力墙结构是极为普遍的设计形式,剪力墙的侧向刚度相对较大,且其抗震性相对较好,在民用住宅的建筑设计过程中有着极为普遍的应用,基于上述角度,对高层建筑剪力墙结构进行有效的优化,提高剪力墙布置的合理,充分发挥剪力墙结构的优势。
关键词:高层建筑;抗震结构;剪力墙;优化;
引言
在当今社会的发展过程中,住宅产业得到了蓬勃的发展,其中采用剪力墙结构的高层住宅已经占据住宅项目的90%左右。根据完成的项目统计,在剪力墙结构中,剪力墙的工程量占据一次结构土建工程量的16%~38%,高度越高,烈度越大,剪力墙的占比越大,故如何把剪力墙设计的安全、经济、合理,是一个结构方案优劣的重要考量指标,也有必要对剪力墙结构的剪力墙进行深度的研究,进一步的提高剪力墙的安全性、经济性等。
1剪力墙结构的布置原则
剪力墙的特点是截面高度很大,厚度相对较小,故剪力墙的面内刚度很大,面外刚度很小,在设计或计算中,通常忽略剪力墙的面外刚度。受建筑布局、立面的影响,剪力墙的墙肢长度、墙体厚度、截面形状、开洞等让剪力墙的形式变化多端,受力状况更加复杂,如何发挥剪力墙的优势,避免其短处,是剪力墙结构设计的核心。根据经验,主要从以下几个方面优化剪力墙的布置:
0.1双向布置,刚度尽量接近
在剪力墙的布置过程中,由于不考虑剪力墙的面外刚度,应根据建筑平面的特点,在东西向和南北向均设置适量的剪力墙,并使得两个主轴方向的刚度尽量接近。
0.2强周边弱中间
对矩形平面,在满足中间墙肢轴压比限值的情况下,剪力墙尽量布置在周边或外围。当周边和外围无法布置更多的剪力墙且结构仍然有较大的扭转时,可增加外圈连梁高度,保证结构的第一、第二振型为平动。剪力墙要在两个主轴方向均匀、对称布置,减小楼梯、电梯偏置带来的偏心影响,尽量减小结构的刚度中心与形心的距离,以减少偏心带来的扭转造成的造价。
对于住宅以大致的矩形平面为主,其他平面较少。对于圆形平面,剪力墙可以径向、环向设置为宜,对于三角形平面可沿着三个主轴的方向设置剪力墙,布置的原则是尽量均匀、对称。
0.3长度、间距
由于不考虑剪力墙的面外刚度,且受建筑净高要求的影响,面外梁高一般400~600mm,且受建筑使用的影响,常常无法设置扶壁柱以平衡剪力墙面外梁产生的弯矩,故剪力墙的间距不宜很大,不适合大空间的结构,较适用于住宅、公寓等平面上可以布置较多墙体的结构。在条件允许的情况下,应尽量加大剪力墙的间距,并使结构具有适当的侧向刚度。
高宽比大于3的剪力墙往往具有较好的延性,其破坏形态一般为弯曲破坏。剪力墙的截面高度一般不宜大于8m,当截面高度大于8m时,可在墙体中间开洞口形成联肢墙。采用跨高比不小于6的弱连梁连接各墙肢,这样各墙肢相对独立,受力较均匀,也更能充分发挥各墙肢的作用。
0.4洞口布置
布置门窗洞口时宜规则、上下对齐,均匀布置,尽量避免墙肢长度差异很大。墙肢越长,其刚度越大,吸收的地震力就越大。大震时,这些长墙容易首先破坏,其他墙肢的配筋又不足,容易造成结构的连续倒塌,对结构整体不利。对于抗震等级为一~三级的剪力墙的底部加强部位不应采用错洞墙。当底部加强部位以上错洞墙很难避免时,可采用有限元应力分析,并加强错洞处的配筋构造,且错开的距离不宜小于2m。也可采用结构上设置规则洞口,通过填充轻质隔墙的方式形成错洞,以满足建筑立面要求。
0.5短肢剪力墙、一字墙
短肢剪力墙布置灵活,自重较轻,对建筑的影响小,很受建筑专业的青睐,但是短肢剪力墙抗震性能较差,不宜布置过多。局部使用时,其墙肢厚度、轴压比、配筋率、抗震等级等均应有更严格的要求。
结构布置时宜减少一字墙的数量。特别是山墙,常常在墙平面外布置一些单侧梁,造成墙平面外的弯矩较大,而一字墙的平面外稳定性较差,对墙体不利,无法避免时应采取一些措施,如设置端柱,释放梁端弯矩等。
0.6竖向布置
剪力墙竖向宜连续,剪力墙厚度和混凝土强度等级宜随高度的增加逐步减少,避免在同一层同时改变墙厚和混凝土强度等级,以免剪力墙刚度突变。同时,截面和混凝土减少的幅度也不易过大,墙厚一般每次减少50mm,混凝土一般可减少一个等级,每5层左右改变一次为宜,避免改变频繁造成的施工困难。
1剪力墙的设计优化
2.1底部加强部位的高度
高层建筑就像一个插入地表的悬臂构件。在横向水平力作用下,底部的弯矩是最大的,也是最可能出现塑性铰的地方。底部钢筋屈服后,由于钢筋和混凝土的粘结力破坏,钢筋的屈服范围越来越大,最终形成一个区域。设计时应该对这个区域采取加强措施,也成为剪力墙的底部加强部位。塑性铰区的长度范围一般小于或等于剪力墙的截面高度[1]。高规和抗规都对底部加强部位做出了规定,且考虑安全,都大于塑性铰区的长度。由于底部加强部位配筋要求较高,为节约成本,在设计时满足规范的要求即可,不需要特意的提高底部加强部位的范围。
2.2嵌固部位的选择
对于高层结构,一般设置一层或多层地下室。对于一层地下室,可选择基础顶作为嵌固端,若地下室相关范围刚度较大时,如设置了人防墙或者地下室外墙较多时,容易满足地下一层与首层侧向刚度比不小于2(上海抗规要求1.5)的要求时,也可以选择地下室顶板作为上部结构的嵌固部位,避免为满足嵌固端的构造要求而增设较多的混凝土墙并加厚顶板,造成结构成本的增加。对于多层地下室,一般可选择地下室顶板作为嵌固部位,并应满足相应的构造要求,约束边缘构件可由一层延伸至地下一层,地下二层及以下可设置构造边缘构件,以减少构件边缘构件的构造配筋,节约工程造价。
2.3墙身配筋
墙体分布钢筋的主要作用是提高墙体的受剪承载力,限制墙体斜裂缝的扩展并防止发生脆性破坏。高规7.2.8~7.2.9条给出了墙身竖向分布筋的计算方法。从公式中可以看出,大偏压时考虑少量竖向分布筋的贡献,小偏压时不考虑竖向分布筋的贡献。墙体配筋率在0.1%~0.28%的墙体,不会立即发生剪切破坏,满足规范要求的最小配筋率时,可以基本保证剪力墙出现裂缝后具有足够的承载力和延性[2].文献[3]试验表明,提高边缘构件的配筋率,可提高其承载力,裂缝也更均匀更密,剪切变形也更小,而墙身分布配筋率即使由0.23%提高到0.593%,其裂缝的分布情况并不会有明显的改善。这些理论分析和震害也表明,墙身配筋在大多数情况下无法充分发挥其承载力,故规范对一~三级的构造配筋率要求一致,对加强区和非加强区的墙身配筋率也没有区别,只有底部加强区为部分框支抗震墙时,其配筋率才提高到0.30%。故墙身配筋率按高规或抗规要求设置即可,一般也无需加强,避免不必要的浪费。
2.4墙身竖向钢筋
对于剪力墙墙身的竖向钢筋直径,抗规规定竖向钢筋的直径不宜小于10mm,高规规定不应小于8mm,并不作为强制性条文,这也是根据很多工程實践经验和设计院的建议制定的[4]。目前三级钢的使用已经成为主流,其强度高,硬度大,对层高不大的建筑,其间距通常取200mm,最小直径8mm,仅需满足最小配筋率,不必随意提高其配筋量[5]。
结语
不同的结构布置方案,对有关规范的不同解读都会对建设成本有较大的影响,随着建筑行业利润率的降低,如何在满足建筑功能和安全的同时,降低工程造价已经是很多房地产企业的迫切需求。研究如何做好建筑结构的优化设计,好钢用在刀刃上,减少不必要的浪费,是一件非常有意义的事情。
参考文献
[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造.中国建筑工业出版社,2012.
[2]周献祥. 品味钢筋混凝土:设计常遇的混凝土结构机制机理分析. 知识产权出版社,2006.
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