摘要：高層住宅設(shè)計(jì)中廣泛采用剪力墻結(jié)構(gòu)，本文給出了剪力墻結(jié)構(gòu)的布置原則及設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)；匯總了剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的各個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)以及對應(yīng)的調(diào)整方法。
關(guān)鍵詞：高層住宅；剪力墻結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)指標(biāo)；調(diào)整
隨著社會進(jìn)步，科技發(fā)展，人們對住宅的功能要求越來越豐富，建筑設(shè)計(jì)越來越符合功能和審美的要求；為實(shí)現(xiàn)建筑的要求，結(jié)構(gòu)選型主要與其使用功能直接相關(guān)，同時(shí)擬建場地的地理位置，抗震烈度也是影響結(jié)構(gòu)選型的重要因素。為提高土地利用率，建設(shè)單位提倡建設(shè)高層住宅，以滿足市場的需求及企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)效益的要求；目前高層住宅成為人們的主要居住形式，高層住宅主要的結(jié)構(gòu)形式多為剪力墻結(jié)構(gòu)。
1剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
剪力墻結(jié)構(gòu)是由豎向剪力墻和水平樓面梁板組成的結(jié)構(gòu)。剪力墻既作為承受水平和豎向作用的構(gòu)件，又有分隔房間的作用。其布置原則除了應(yīng)滿足建筑使用要求，對結(jié)構(gòu)受力是否合理至關(guān)重要，剪力墻布置是否合理進(jìn)一步?jīng)Q定了該建筑的建設(shè)費(fèi)用，所以更多的建設(shè)單位在前期建筑方案及與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)選型上盡量優(yōu)化，而達(dá)到節(jié)省造價(jià)的目的。
2建模時(shí)的注意事項(xiàng)
（1）剪力墻：目前結(jié)構(gòu)常用計(jì)算軟件：中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的軟件PKPM，北京盈建科軟件股份有限公司編制的軟件YJK，均可進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算。
（2）剪力墻平面布置原則：根據(jù)建筑平面圖：①外墻可布置為剪力墻，增加建筑平面的抗扭剛度。②內(nèi)墻布置時(shí)，平面均勻?qū)ΨQ布置，豎向連續(xù)，避免樓層錯(cuò)洞保證剪力墻邊緣構(gòu)件上下連續(xù)貫通，同時(shí)避免墻肢開洞過大形成抗震性能較差的短肢墻（短肢剪力墻指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻）。③剪力墻的截面厚度及構(gòu)造配筋應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程剪力墻部位及抗震等級，參見《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）》7.2.1，10.4.6，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》（以下簡稱抗規(guī)）6.4.1，6.4.3條。④內(nèi)墻長度除應(yīng)滿足建筑條件，還要考慮墻下樁最小樁間距的要求，例如：常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，樁直徑700mm，樁間距不小于3倍樁徑，加上0.5倍的樁徑，建議上部剪力墻的長度為2500mm，上部如有結(jié)構(gòu)洞口，宜盡量使洞口避開樁位。⑤內(nèi)墻上開設(shè)除門洞外的結(jié)構(gòu)洞口保證施工時(shí)通過洞口能達(dá)到建筑平面的任何位置。⑥陽臺宜用挑梁做懸挑陽臺，如需布置剪力墻，應(yīng)同建筑專業(yè)溝通。
（3）梁的布置：隔墻下方設(shè)梁，用于承擔(dān)上部隔墻的重量及支承樓板。梁寬一般為200mm，若建筑要求隔墻厚100mm，且隔墻上部不能設(shè)置200mm寬的梁時(shí)，需要在樓板該隔墻的位置上增加板上線荷載，并適當(dāng)增加板厚，樓板配筋計(jì)算時(shí)需滿需承載力撓度及裂縫的要求。板面鋼筋直徑取值建議不小于8mm，施工時(shí)應(yīng)防止踩踏板頂，梁與剪力墻面外相交，計(jì)算時(shí)該梁端點(diǎn)鉸接，減小梁端彎矩對剪力墻的面外彎矩，保證剪力墻的軸向受力。
3設(shè)計(jì)指標(biāo)及相應(yīng)調(diào)整方法
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻結(jié)構(gòu)的布局是否合理，計(jì)算結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析計(jì)算，來分析結(jié)構(gòu)整體的剪力墻布局是否滿足規(guī)范限值，下面列出七種結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)及對應(yīng)的調(diào)整辦法：
（1）位移角：樓層層間最大水平位移與層高之比，高層剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，層間位移角作為一個(gè)重要指標(biāo)，其影響因素主要為建筑高度，建筑平面長寬比越大，端部位移角越大，調(diào)整布置剪力墻時(shí)，結(jié)合建筑墻體的位置，加強(qiáng)外圍剪力墻布置，平面布置均勻?qū)ΨQ，平面布置時(shí)剛心和質(zhì)心盡量重合來減少扭轉(zhuǎn)；根據(jù)《抗規(guī)》6.2.13.2條文解釋，算地震內(nèi)力時(shí)，剪力墻連梁剛度可折減，計(jì)算位移時(shí)，連梁剛度可不折減。層間彈性位移角限值不滿足要求，但相差不大時(shí)，可增加混凝土的標(biāo)號，設(shè)計(jì)時(shí)盡量通過調(diào)整墻體布置，來增加建筑的剛度。剪力墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值不大于1/1000。
（2）位移比：偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，水平位移或?qū)娱g位移最大值與平均值的比值。來判斷平面是否扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，當(dāng)位移比大于1.2時(shí)判斷為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，但不應(yīng)大于1.5。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則模型計(jì)算時(shí)，考慮雙向地震。調(diào)整方法同位移角中的調(diào)整要求。
（3）周期比：Tt/T1≤0.9（0.85）其中Tt：扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期、T1：平動(dòng)為主的第一自振周期，A級高度限值為0.9，B級高度限值為0.85。當(dāng)周期比不滿足時(shí)，應(yīng)增加外圍墻體的剛度，在滿足層間位移角和位移比要求的情況下，增加洞口寬度，減小連梁高度，減小剪力墻長度，等降低整個(gè)平面的平均剛度，這些措施可使周期比滿足規(guī)范要求。
（4）受剪承載力之比：根據(jù)《抗規(guī)》3.4.3，3.4.4條判斷是否為薄弱層，當(dāng)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%就為薄弱層，但抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的65%；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避免出現(xiàn)薄弱層，當(dāng)出現(xiàn)薄弱層時(shí)，首先應(yīng)盡量增加薄弱層墻體的墻長及墻厚，設(shè)計(jì)時(shí)確無避免時(shí)，地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力應(yīng)乘以1.25的增大系數(shù)。
（5）有效質(zhì)量系數(shù)：高規(guī)規(guī)定，計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量系數(shù)大于等于0.9，當(dāng)該系數(shù)小于0.9時(shí)，模型計(jì)算時(shí)增多振型個(gè)數(shù)。
（6）剪重比：《抗規(guī)》規(guī)定任一樓層的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力VEKi>λ∑nj=iGj，∑nj=iGj為該樓層及以各層重力荷載代表值之和，其中λ為地震剪力系數(shù)，不應(yīng)小于《抗規(guī)》表5.2.5表內(nèi)系數(shù)，當(dāng)改層為薄弱層時(shí)，不應(yīng)小于1.15倍表內(nèi)系數(shù)。
（7）剛重比：判斷高層結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，應(yīng)滿足《高規(guī)》公式5.4.4-1：EJd/H2G≥1.4，當(dāng)剛重比不滿足要求時(shí)，需要增大豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度。當(dāng)EJd/H2G≥2.7時(shí)，可不考慮重力二階效應(yīng)引起的不利影響。小于2.7時(shí)應(yīng)計(jì)算重力二階效應(yīng)，計(jì)算參數(shù)的選取在設(shè)計(jì)信息中，勾選二階效應(yīng)計(jì)算方法選項(xiàng)。
4工程實(shí)例
某高層住宅，地上33層，層高3.0m，地下2層，地下室層高由上至下分別3.2m，3.0m。建筑平面長44.6m，寬度15m，結(jié)構(gòu)主體高度99.2m，地震烈度為Ⅷ度，地震加速度為0.2g，地震分組為第二組，剪力墻抗震等級為一級。因本工程建筑高度較高，且建筑戶型為大戶型，每個(gè)房間面積較大，分隔房間的橫墻較少，軟件建模時(shí)，按本文2項(xiàng)中墻體和梁的布置原則進(jìn)行布置，輸入荷載，計(jì)算參數(shù)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算；該工程模型反復(fù)調(diào)整試算后，結(jié)果如下：
（1）層間位移角：因Y向墻量較少，增強(qiáng)連梁，增加混凝土標(biāo)號C40至地上22層；最終調(diào)整至X向縱墻方向，Y向橫墻方向最大層間位移角分別1/1350，1/1001小于規(guī)范限值1/1000。
（2）位移比：規(guī)定水平力作用下偶然偏心情況下X+方向最大為1.05，X-方向最大為1.01，Y+方向最大為1.17，Y-方向最大為1.17，位移比均小于1.2滿足規(guī)范要求。
（3）周期比：本工程Tt=1.401，T1=2.045，Tt/T1=1.401/2.045=0.685≤0.9，滿足規(guī)范要求。
（4）受剪承載力之比：計(jì)算結(jié)果總信息中，X，Y方向最小樓層剪力承載力之比分別為0.83，0.84，均大于0.8，不屬于薄弱層，無需進(jìn)行剪力調(diào)整。
（5）有效質(zhì)量系數(shù)：計(jì)算參數(shù)中振型數(shù)取15個(gè)振型，計(jì)算結(jié)果，X，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)為分別為95.24%，93.29%。兩個(gè)方向均大于0.9，滿足規(guī)范要求。
（6）剪重比：X，Y向水平地震剪重比分別為4.26%，4.48%，均大于3.20%，滿足規(guī)范要求。
（7）剛重比：X向剛重比EJd/H2G=8.15，Y向剛重比EJd/H2G=6.35。兩個(gè)方向的剛重比均大于1.4，能滿足高規(guī)的穩(wěn)定驗(yàn)算要求；且大于2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng)。上述內(nèi)容為整體設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算，要完成結(jié)構(gòu)模型階段的設(shè)計(jì)分析，還需要對每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，是否滿足相應(yīng)規(guī)范，核對計(jì)算文件中的超限信息，進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件的調(diào)整修改。
5結(jié)語
剪力墻結(jié)構(gòu)在高層住宅中廣泛應(yīng)用，實(shí)際工作中該類設(shè)計(jì)任務(wù)較多，且設(shè)計(jì)時(shí)間較緊張，設(shè)計(jì)計(jì)算作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的主要耗時(shí)內(nèi)容，為提高工作效率，本文總結(jié)了以往的工作經(jīng)驗(yàn)，給出實(shí)際剪力墻結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)時(shí)剪力墻，梁布置的注意事項(xiàng)，及各個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)的規(guī)范限值及調(diào)整方法，對提高結(jié)構(gòu)建模分析計(jì)算的效率有一定作用。
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