浅析高层建筑剪力墙结构的优化设计

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　　摘 要：本文首先对高层建筑设剪力墙结构设计的重要技术指标进行了阐述，在此基础上归纳剪力墙结构设计的适宜方案，最后提出优化高层建筑剪力墙结构设计的具体措施，以期供同行们参考。
　　关键词：高层建筑；剪力墙结构；设计
　　
　　1.高层建筑结构设计的特点
　　随着城市人口的增长，大规模的城市高层建筑越来越多。高层建筑在结构设计上有着以下共同特征：1）水平荷载成为决定因素；2）轴向变形不容忽视；3）侧移成为控制指标；4）结构延性是重要设计指标。伴随着这些设计特点逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构形式，即“短肢剪力墙结构”形式。短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5倍~8倍的剪力墙结构，常用的有“T”字形、“L”形、“十”字形、“Z”字形、折线形、“一”字形。结合笔者工作实践，就高层建筑剪力墙结构设计的若干问题，做出如下探讨。
　　2.高层建筑剪力墙结构设计计算原则
　　剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，就结构设计中的几个重要技术指标调整原则简述如下。
　　2.1楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则
　　在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值）。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。
　　2.2剪力墙连梁超限的调整原则
　　剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5~6之间时，若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，则对节省工程造价也有非常明显的影响，即将跨高比不大于5的连梁（刚度需折减）和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁（刚度不折减），而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者，能节省工程投资。
　　2.3楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则
　　指规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形，应计入扭转变形。对于一般的高层建筑，重点是楼层间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多（剪重比偏大）而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。
　　3.高层建筑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。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。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。
　　4.优化高层建筑剪力墙结构设计的措施
　　4.1注重转换层结构设计
　　首先，由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大，最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。其次，宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。再次，通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。
　　4.2避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大
　　《高规》中规定：“矩形截面独立墙肢的截面高度hw不宜小于截面宽度bw的5倍。”在设计中，独立小墙肢基本上可以通过合并洞口等方法消除，或合理布置剪力墙，使小墙肢成为墙体翼缘，其受力状态明显好于独立小墙肢，仅适当加强配筋即可。同时剪力墙结构应具有足够的延性，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。
　　4.3控制剪力墙的厚度
　　根据抗震规范6.1.2条规定，8度地震设防区剪力墙结构的抗震等级至少应为二级。以上规定目的是为防止因墙体平面外刚度过小，稳定性差，容易在偏心荷载作用下压屈失稳。
　　4.4优化连梁设计
　　根据《高规》在连梁设计方面的规定，对于连梁非抗震及抗震设计时高跨比大于2.5及小于2.5两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可采用两种方法：1）在内力计算前将连梁刚度进行折减；2）在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数，同时要注重连梁的铰接处理。
　　4.5底部加强部位的设计
　　在剪力墙设计时，一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值；底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上2层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下1层，此时地下1层的抗震等级不能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下1层，并应按规范要求在地下1层设置约束边缘构件。
　　总之，在进行剪力墙结构设计时，应根据具体工程的特点，对其剪力墙的受力状态进行正确的计算分析，同时其设计也有一些技巧，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。

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