建筑结构设计中剪力墙结构的应用探析

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  摘要:随着时代的进步和社会经济的发展,我国建筑行业发展迅速,人们生活质量的提高,对建筑结构也提出了更高的要求。近些年来,剪力墙结构被广泛应用于建筑工程中,这是因为剪力墙结构具备一系列的优点,如抗震性较好,结构整体性强,有着较大的抗侧力刚度,侧向变形小等。本文简要分析了建筑结构设计中剪力墙结构的应用,希望可以提供一些有价值的参考意见。
  关键词:建筑结构;剪力墙;应用
  通过大量的实践研究表明,将剪力墙结构应用到建筑结构设计中,具有一系列的优势,不仅可以有较大的结构刚度,还有较强的抗震性,可以有效提升建筑的安全性。目前,越来越多的人已经认识到了剪力墙结构的优越性,在全国各地得到了广泛应用,在具体的设计过程中,需要结合工程具体情况,提高设计质量。
  1 剪力墙结构概述
  剪力墙的几何特征和受力状态是由剪力墙的特点决定的,它有着较大的宽度和高度,但是却只有较小的厚度。剪力墙和板有着类似的几何特征,但是却拥有和柱子类似的受力形态,并且与柱子相比,有着差异化的比值。通过研究发现,在剪力墙结构中,墙是作为平面结构而存在,承受了双重力量,分别是竖向压力和水平剪力。对于剪力墙来讲,在地震作用以及风载下,除了要满足基本的刚度强度要求之外,还需要保证在其他作用结构虽然断裂却不会倒的要求,如非弹性变形反复循环下的延性和能量消耗等,因此,一般按照延性弯曲形态来设计剪力墙。
  剪力墙结构的分类:通常情况下,主要是依据剪力墙开洞与否以及开洞大小来划分的,可以分为四种类型的剪力墙结构:
  一是整体剪力墙,这种剪力墙为无洞口的剪力墙或剪力墙上开有一定数量的洞口,但洞口的面积不超过墙体面积的15%,且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于洞孔长边尺寸时,可以忽略洞口对墙体的影响。这种剪力墙主要是曲型变形,受力状态和竖向悬臂梁十分类似,从墙肢高度上来讲,没有弯点存在于弯矩图中,突变问题也不会出现。
  二是小开口整体剪力墙,这种剪力墙只有较小的开口,但是开洞面积在百分之十五以上,剪力墙出现的是弯曲型变形,且没有反弯点存在于整个墙肢的高度上,但是有突变出现于弯矩图的主要位置。
  三是联肢剪力墙,这种类型的剪力墙洞口开得比较大,截面的整体性已经被破坏截面上正应力的分布远不是遵循沿一根直线的规律,截面变形已不再符合平截面假设。
  四是壁式框架,这种剪力墙洞口开得比联肢剪力墙更宽,墙肢宽度较小,墙肢与连梁刚度接近时,墙肢明显出现局部弯矩。剪力墙的内力分布接近框架,它的变形主要是剪切变形。
  2 科学选取剪力墙结构的厚度和长度
  上文我们已经提到,剪力墙有着较大的宽度和高度,没有较大的厚度,要结合相关标准,来严格选择剪力墙结构的厚度和长度,具体包括这些方面的内容:
  (1)剪力墙结构厚度的选择
  根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)可以得知,在一二级抗震等级时,剪力墙底部加强部位墙厚不应小于200mm,且不宜小于层高或无肢长度的1/16,对于其他部位的厚度,不应小于160mm且不宜小于层高或无肢长度的1/20。在具体的结构设计过程中,如果出现了一些非常规状况,就可以将概念设计分析方法有效应用进来,对墙肢轴压的比值进行有效控制,这样墙的厚度才可以得到减少。
  (2)墙肢长度的选择
  剪力墙墙肢的长度其实就等同于墙肢截面的高度,通常情况下,墙肢长度往往在8米以内,在具体的设计过程中,剪力墙结构的延性要符合相关要求,否则在荷载作用下,就会有脆性的剪切破坏问题出现,如果剪力墙的高宽比在3以上,那么就可以按照弯曲破坏的延性剪力墙来进行设计。在具体设计过程中,墙体有较长的长度,那么宜设置跨高比较大的连梁将其分成长度较均匀的若干墙段,保证墙体的高宽比值不小于3。
  3 剪力墙结构设计计算的原则
  剪力墙的设计并不是一项简单的工作,需要综合考虑诸多方面的因素,采取一系列科学合理的手段,对结构设计的合理有效性充分审核。通常情况下,在剪力墙结构设计中,有一些技术原则是需要遵循的,具体来讲,包括这些方面的内容:
  (1)楼层之间最小剪力系数的调整原则
  在建筑结构设计过程中,剪力墙的布置可以适当减少,这样结构自重就可以得到有效减轻,降低地震带来的损坏,但是我们需要注意的是,要严格控制结构总底部地震倾覆力矩中短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩的比例,保证其在百分之五十以下,通过研究发现,大开间剪力墙是不错的选择,这样结构的侧向刚度就可以得到增强;此外,为了降低工程的造价成本,还需要控制楼层最小剪力系数,保证其在规范限值以上。
  (2)楼层层间最大位移与层高之比的调整原则
  通常情况下,楼层之间的扭转变形和剪切变形是建筑设计中的重中之重,在控制剪切变形时,需要将竖向构件的数量充分纳入考虑范围;如果有着较多的竖向构件,那么就会有较大的剪重比,影响到设计的科学有效性,导致过大扭转变形的出现,同时,楼层间位移的需求也无法得到满足。因此,在建筑结构设计时,就需要对扭转变形进行最大限度的减少。总之,在对楼层之间的位移进行调整时,不能够对竖向构件的刚度单单增加。
  (3)剪力墙连梁超限的调整原则
  通过大量的实践研究我们可以得知,如果剪力墙连梁跨高比小于2.5,那么连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值,因此,在设计时,就需要控制剪力墙连梁的跨高比不小于2.5。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。如果连梁的跨高比在5和6之间,若连梁刚度不折减,那么就会容易出现诸多问题,如剪力、弯矩比规范限值要大。因此,在剪力墙结构设计过程中,需要将连梁超限的调整原则充分应用起来,这样工程造价才可以得到有效的降低。
  (4)剪力墙优化设计的有效措施
  为了促使剪力墙受力均衡得到实现,就需要采取一系列的措施,对剪力墙结构的设计进行优化,保证剪力墙结构足够的安全和可靠,可以将每一个结构的作用给最大限度的发挥出来,这样才可以足够的经济和科学。因此,在优化剪力墙设计时,就需要对工程的造价和安全性充分考虑,结合这两项因素,来对剪力墙的布置进行科学调整。对于工程造价,可以注重于技术手段和原材料两个方面,严格控制工程实施过程中的含钢量,将原材料的最大用途发挥出来,同时,保证建筑的可靠性不受影响。
  4 结语
  通过上文的叙述分析我们可以得知,剪力墙结构具有一系列的优点,被广泛应用于建筑结构设计中;剪力墙结构的设计需要严格遵循相关的原则来进行,同时将工程具体情况充分纳入考虑范围;相关的设计人员需要不断努力,提高自己的专业水平,借鉴成功经验,提高剪力墙结构的性能,保证建筑工程的质量和安全。
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