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摘要: 本文仅针对高层剪力墙结构设计的概念及分类做出分析，并提出结构优化设计的措施。仅供同行参考。
关键词:剪力墙；结构设计；优化
1 剪力墙的概念及分类
1. 1 剪力墙的基本概念
剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙截面特点是墙肢长度远大于厚度,自身平面内具有很大的刚度和承载力,平面外刚度和承载力都相对较小,墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。同时在剪力墙结构中,墙是一个平面构件,它除了承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外,还承担竖向压力;在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作,其受水平力作用时似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除须满足刚度强度要求外,还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求。
1. 2 剪力墙的分类
剪力墙因其孔洞的大小和数量的不同,影响其受力特点、内力分布和变形状态,按其开洞的情况,可分为整截面墙、整体小开洞墙、联肢墙等。1) 整截面墙:剪力墙不开洞或洞口面积小于总面积的16 % ,且洞口长边尺寸均小于洞口净距及洞口至墙边的净距。受力性能类似整体的悬臂构件,墙肢法向应力呈线性分布,破坏形态似偏心受压柱,设计时应尽量将竖向钢筋分布在墙肢两端。2) 整体小开洞墙:当剪力墙洞口上下对齐,成列布置,洞口稍大,形成明确的墙肢和连梁,墙肢和连梁刚度较均匀。受力性能也可按整体悬臂构件考虑,并应考虑墙肢的局部弯矩,水平荷载引起的整体弯矩M 的85 %以上由墙肢轴力所产生的内力矩来平衡,局部弯矩不超过整体弯矩的15 %。3) 联肢墙:当剪力墙的洞口沿竖向成列布置,洞口面积超过墙体总面积的16 % ,各墙体由连梁连接,墙肢单独作用明显,连梁中部出现反弯点。
1. 3 剪力墙设计的原则
剪力墙在设计中既要满足位移限值的要求,又要充分发挥框剪结构中各抗侧力构件的作用,做到安全、经济合理。剪力墙合理数量的确定原则是:在满足规范规定的位移限值条件的前提下,剪力墙数量应尽量减少,但应满足在基本振型地震作用下,剪力墙部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50 %。同时,规范规定框架部分承担的剪力至少为底部总剪力的20 % ,或各层框架承担的地震总剪力中最大值的1. 5 倍。
2 优化高层建筑剪力墙结构设计的措施
2. 1 避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《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。”一旦出现上述情况,对墙肢轴压比、配筋等都有严格的限制,设计施工都比较困难。在实际设计中,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。
2. 2 注重转换层结构设计
高层建筑功能和形式日益多样化,当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部(中部) 和下部使用功能不同时,结构布置也要相应改变,要设置转换构件衔接上下结构,传递内力,设置转换构件的楼层称为转换层。因此,对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构,应当慎重设计。1) 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。2) 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數。3) 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。
2. 3 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。无论采用何种方法,连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值,也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值,以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。同时要注重连梁的铰接处理。
2. 4 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,但这些规定对于8 度地震设防区的多层及低高层剪力墙结构显得不够合理。例如5 层～15 层的剪力墙结构,一般墙肢在重力荷载代表值作用下轴压比都小于0. 2 ,电算结果墙体往往只需要构造配筋,但只因底部功能要求3. 9 m 层高,墙厚就得250 mm ,若业主要求室内视野开阔,不设外纵墙,横墙朝外端头不允许带翼墙或端柱时,当层高3. 9 m～4. 2 m 时,则墙厚需要320 mm～350 mm ,显然不合理。
2. 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。
3. 结束语
综上所述，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,并结合其破坏形态进行设计以满足结构的安全性。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。
关键词:剪力墙；结构设计；优化
1 剪力墙的概念及分类
1. 1 剪力墙的基本概念
剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙截面特点是墙肢长度远大于厚度,自身平面内具有很大的刚度和承载力,平面外刚度和承载力都相对较小,墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。同时在剪力墙结构中,墙是一个平面构件,它除了承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外,还承担竖向压力;在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作,其受水平力作用时似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除须满足刚度强度要求外,还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求。
1. 2 剪力墙的分类
剪力墙因其孔洞的大小和数量的不同,影响其受力特点、内力分布和变形状态,按其开洞的情况,可分为整截面墙、整体小开洞墙、联肢墙等。1) 整截面墙:剪力墙不开洞或洞口面积小于总面积的16 % ,且洞口长边尺寸均小于洞口净距及洞口至墙边的净距。受力性能类似整体的悬臂构件,墙肢法向应力呈线性分布,破坏形态似偏心受压柱,设计时应尽量将竖向钢筋分布在墙肢两端。2) 整体小开洞墙:当剪力墙洞口上下对齐,成列布置,洞口稍大,形成明确的墙肢和连梁,墙肢和连梁刚度较均匀。受力性能也可按整体悬臂构件考虑,并应考虑墙肢的局部弯矩,水平荷载引起的整体弯矩M 的85 %以上由墙肢轴力所产生的内力矩来平衡,局部弯矩不超过整体弯矩的15 %。3) 联肢墙:当剪力墙的洞口沿竖向成列布置,洞口面积超过墙体总面积的16 % ,各墙体由连梁连接,墙肢单独作用明显,连梁中部出现反弯点。
1. 3 剪力墙设计的原则
剪力墙在设计中既要满足位移限值的要求,又要充分发挥框剪结构中各抗侧力构件的作用,做到安全、经济合理。剪力墙合理数量的确定原则是:在满足规范规定的位移限值条件的前提下,剪力墙数量应尽量减少,但应满足在基本振型地震作用下,剪力墙部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50 %。同时,规范规定框架部分承担的剪力至少为底部总剪力的20 % ,或各层框架承担的地震总剪力中最大值的1. 5 倍。
2 优化高层建筑剪力墙结构设计的措施
2. 1 避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《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。”一旦出现上述情况,对墙肢轴压比、配筋等都有严格的限制,设计施工都比较困难。在实际设计中,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。
2. 2 注重转换层结构设计
高层建筑功能和形式日益多样化,当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部(中部) 和下部使用功能不同时,结构布置也要相应改变,要设置转换构件衔接上下结构,传递内力,设置转换构件的楼层称为转换层。因此,对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构,应当慎重设计。1) 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。2) 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數。3) 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。
2. 3 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。无论采用何种方法,连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值,也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值,以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。同时要注重连梁的铰接处理。
2. 4 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,但这些规定对于8 度地震设防区的多层及低高层剪力墙结构显得不够合理。例如5 层～15 层的剪力墙结构,一般墙肢在重力荷载代表值作用下轴压比都小于0. 2 ,电算结果墙体往往只需要构造配筋,但只因底部功能要求3. 9 m 层高,墙厚就得250 mm ,若业主要求室内视野开阔,不设外纵墙,横墙朝外端头不允许带翼墙或端柱时,当层高3. 9 m～4. 2 m 时,则墙厚需要320 mm～350 mm ,显然不合理。
2. 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。
3. 结束语
综上所述，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,并结合其破坏形态进行设计以满足结构的安全性。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。