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高层建筑剪力墙结构设计分析探讨

作者:临沂鹏程木业  来源:http://www.jianliqiang.net  发布时间:2020-08-13 10:37     浏览次数 :

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  高层建筑剪力墙结构设计分析探讨

  李志远

  浙江求新建筑设计有限公司浙江温州325000

  摘要:本文主要是结合某剪力墙结构高层住宅工程案例,对高层建筑剪力墙结构的概念设计、结构布置原则以及剪力墙结构的设计和计算分析进行了分析探讨。

  关键词:高层建筑;剪力墙结构

  高层建筑能够节约城市土地,缩短公用设施和市政管网的开发周期,从而减少市政投资,加快城市建设。其中高层建筑剪力墙结构在住宅建筑中占有很大比例。因此,做好建筑工程剪力墙结构设计的工作十分重要。
 


  一、剪力墙结构概念设计、结构布置原则

  在结构设计中,为了做到安全和经济,剪力墙结构的侧向刚度不宜过大,可将其楼层层间最大位移与层高之比控制在1/1100~1/1300之间。剪力墙平面上分布要力求均匀,使其刚度中心和建筑物质心尽量接近,以减小扭转效应,必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。住宅建筑中往往会有很多短肢剪力墙,应结合建筑平面,采用L,T,Z,十字形等截面形式,且翼缘长度大于其厚度的3倍。一字型剪力墙抗震性能较差,应尽量避免。振动台模拟地震试验结果表明,建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。对这些薄弱环节,应加强概念设计和抗震构造措施。

  (1)当有扭转效应,会加剧建筑平面外边缘及角点处的墙肢已有的翘曲变形,使其首先开裂;在水平地震作用下,高层短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主,底部外围的小墙肢承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其一字形小墙肢破坏最严重。为了尽量消除扭转不规则,可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度,这样能明显增大结构的抗扭刚度。另外,应增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率,加强边缘构件配筋,严格控制轴压比,以提高墙肢的承载力和延性。

  (2)在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对减小,连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁。因此,在计算时,对跨高比不小于5 的梁应按框架梁考虑,连梁的刚度折减系数也不宜太小。

  二、剪力墙结构计算方面的优化

  在设计剪力墙结构时,应根据规范要求综合考察结构是否合理,如剪力墙结构的刚度不宜过大,在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上,以规范规定的楼层最小剪力系数为目标,使计算结果无限接近规范值。

  (1)楼层最小剪力系数的调整原则。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50%的前提下,尽可能减少剪力墙的布置,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(不小于)规范限值。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)楼层最大层间最大位移与层高之比的调整原则。对于高层建筑应尽可能扭转变形最小,但又不能仅根据这些层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。在实际工程设计中,有些设计人员一看到某一方向层间位移不能满足规范要求,就不断地增加该项的侧向刚度。此举虽然可以解决问题,但应该注意此时结构的剪重比:若与规范限制接近则可行;若剪重比已经较大,则不应一味地增加,也要学会减小对应一侧的结构刚度,使其剪重比减小。地震作用减小,同样可以达到较好的效果。

  (3)结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比(周期比)的调整原则。震害表明,平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构,在震中破坏严重。在设计时,要保证结构的抗扭刚度不能太弱:首先要限制结构平面的不规则性,避免产生较大的扭转效应,扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响;其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱,具体表现在Tt/T1指标上。在实际工程设计中,应将结构竖向构件尽可能沿周边布置,以提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度,则只是对侧向刚度的贡献大,对抗扭刚度来说,贡献甚微。
 


  三、工程实例

  (1)工程概况 某高层住宅建筑共25层,标准层高度为3.0m,建筑总高度为76.5m。抗震设防烈度6度,设计基本地震加速度值0.05g,设计地震分组为第一组,基本风压0.60kN/m2,场地类别Ⅱ类,抗震等级:剪力墙四级,混凝土强度等级为C40~C25,钢筋强度等级:剪力墙、柱、梁采用HRB400。

  (2)结构布置 原结构标准层剪力墙布置见图1,采用剪力墙结构,墙肢底部加强部位宽300mm,以上宽200mm。通过分析SATWE计算结果发现该结构设计剪力墙利用率较低,底层墙肢轴压比在0.30~0.40之间,结构位移比较好,且结构周期、位移角较小,整体偏刚。针对该工程特点,并分析其存在的主要问题,对其结构布置及墙肢长度进行适当的调整,以达到优化的目的,调整后剪力墙平面布置见图2。

  图1 方案一(优化前)剪力墙布置图

  图2 方案二(优化后)剪力墙布置图

  (3)计算指标分析(见表1)从表1中可以看出,原结构刚度偏大,层间位移角偏小,优化后结构刚度适中、分布均匀,周期及位移角有所增加,均在合理范围内,通过调整能使结构吸收的地震力大大降低。优化后位移比略有增加,但亦小于规范限制。对于结构布置及墙肢长度的调整,底层轴压比有所增加,控制在0.50以下,充分发挥了剪力墙承载力高、刚度大的优点。同时,短肢剪力墙承担的地震倾覆力矩仍控制在40%以下。综上所述:方案一与方案二在技术标准上都是合格的,但方案二明显要优于方案一,同时方案二的成本也低于方案一。

  四、结语

  在实际工程设计时,设计阶段在项目成本控制中起着决定性的作用,而现阶段由于设计单位设计项目多,设计人员繁忙,多数项目的设计存在着优化空间。优化设计是建设方的追求,也是设计方的追求,在建筑领域应用优化设计,不仅可行,而且十分符合节约能源,保护环境的可持续发展观。在结构设计过程中,不仅要满足建筑的使用功能的要求,而且要使结构体系更加合理。在剪力墙结构的选型和布置时,需要充分考虑到建筑功能、结构受力、设备使用、经济合理等方面的问题,以实现建筑结构的合理化目标。

  参考文献:

  [1]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程.中国建筑工业出版社,2010.

  [2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版 社,2010.

  [3]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计.机械工业出版社,2004.

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