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高层剪力墙住宅结构优化设计

发布时间:2020-08-17 09:18:02 点击量:

  高层剪力墙住宅结构优化设计

  于舟

  关键词:高层住宅;剪力墙结构;优化设计
 

剪力墙结构


  一、剪力墙结构设计的要点分析

  1、在剪力墙结构中,剪力墙宜沿主轴方向布置,形成空间结构;抗震设计的剪力墙结构,应避免仅单向布置剪力墙,并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近,以使其具有较好的空间工作性能。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大,为充分利用剪力墙的能力,减轻结构重量,增大剪力墙结构的可利用空间,墙不宜布置太密,使其结构具有适宜的侧向刚度。

  2、剪力墙墙肢截面宜简单、规则,剪力墙的竖向刚度应均匀,剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置,形成明确的墙肢和连梁,应力分布比较规则,又与当前普遍应用的计算简图较为符合,设计结果安全可靠。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置,当剪力墙的洞口布置出现错洞、叠合错洞时,墙内配筋应构成框架形式。

  3、较长的剪力墙宜开设洞口,将其分成长度较均匀的若干墙段,墙段之间宜采用弱连梁连接,每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2,以避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。抗震设计时,应尽量避免在洞口与墙边或在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。当小墙肢截面的高度小于墙厚的4倍时,应按框架柱设计,箍筋按框架柱加密区要求全高加密。

  4、剪力墙的特点是平面内刚度及承重力大,而平面外刚度及承载力都相对很小,应控制剪力墙平面外的弯矩,保证剪力墙平面外的稳定性。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时,应采取足够的措施减少梁端部弯矩对墙的不利影响。

  5、剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响,剪力墙宜自下到上连续布置,避免刚度突变;允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级,或减少部分墙肢,使侧向高度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续,将造成结构沿高度刚度突变,对结构抗震不利。

  二、高层住宅剪力墙结构的优化设计

  1、转换层设计

  随着建筑功能的变化,建筑上下结构的使用功能也发生变化,在实现建筑结构变化中,要注意建筑转换层结构的设计。当前常用的转换层有厚板转换层、巨型梁转换等,而无论采用何种转换层设计方式,都要通过强转换弱上部、强柱弱梁的设计来实现建筑的抗震性。具体来看,

  (1)进行转换层自身重量控制。采用梁系转换的方式来进行厚板厚度控制和转换层质量控制,一部分采用厚板材料,一部分采用薄板,这就相对减轻了转换层自重,这有利于实现建筑经济投入的降低。

  (2)进行刚度控制。高位转换时,转换层的刚度逐渐提升,这就要求调整转换层上下部分的刚性比,通过空间分析的方式,来确定水平作用力下的层间位移角,采用参与组合的振型数进行结构分析,如在设计时,采用部分封底的方式,来实现空间承载力控制,并将转换层上下楼板控制在200mm,而在一些箱型转换层中,则进行箱内挖空,提升挖空率的方式,来进行转换层质量和刚性控制。

  (3)进行转接控制。在转换梁与中筒连接设计中,要把钢筋混凝土柱连接在转接范围内的筒体处,加强连接,以防止地震时脱节现象的发生。

  2、结构措施

  在剪力墙结构中,建筑层次对其影响巨大,而上部剪力墙设计中的刚度、质量、抗震力等对下层产生重要影响,这就要求以有效的方式,进行上部剪力墙结构设计优化。

  (1)减少混凝土使用量,减轻上层结构自重。在满足质量要求、楼板厚度和计算跨度比值、防火与设计管线要求的情况下,将上层楼板厚度进行控制为100mm,这既能够降低混凝土资源消耗,又能够减轻上部剪力墙的自重。在开间扩大剪力墙距离的标准下,以轻质隔墙代替一部分墙,采用梁柱代替楼板,在隔墙处进行梁柱设计,这既有利于提升可用空间,又能减轻质量,但在其设计中,由于建筑开间和建筑进深度较小,梁宽与隔墙具有相等厚度,再设计时,要避免露梁。

  (2)抗震设计。进行纵向布置:转化层的上下等效侧向刚度比例一般在1.1-1.5之间,接近1.1,不得大于1.5,要强化下部,弱化上部,尽量防止薄弱层的出现,并通过计算分析,来确定可能存在的薄弱部位,通过分力分配特点研究,进行内力和构建配筋设计调整;尽量实现剪力墙落地,必要处采用L、T型结构设计;上部剪力墙厚度要降低,底层厚度要加大,如转换层以下剪力墙的厚度为250mm,上部为200mm,这对基层稳定,增强建筑抗震性具有重要作用。再就是,在进行T、L或十字型结构设计中,需要注意的是,对于小开口墙体配筋时,仅在洞口两侧配置构造边缘构件,而当腹板与冀缘不匹配时,则可适度放宽对冀缘边缘构件的要求,而在十字墙交叉部位也仅仅按照构件要求进行暗柱设计;剪力墙顶部要设置暗梁,且高度为400-500mm,并按照结构要求进行纵筋和箍筋配置,底部剪力墙设计时,尽量不要开洞,若必须开洞,则开小洞,并用轻质物质进行填充,以保持剪力墙的刚度。

  三、高层住宅建筑剪力墙的相关技术指标调整方法

  1、楼层剪重比调整方法

  楼层剪重比即最小剪力系数,其具体处理方法是:首先应该满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不超过结构总底部地震倾覆力矩的40%,然后在此前提下尽量减少剪力墙布置,并以大开间剪力墙布置方案为设计目标,使墙体结构具有适宜的侧向刚度,有效减轻结构自重,减少地震作用,降低工程造价。

  2、楼层间位移调整方法

  层间位移,即层间最大位移与层高之比。在对楼层的最大弹性层间位移进行计算时,除去以弯曲变形为主的高层建筑可以不扣除结构整体弯曲变形之外,其余都应该考虑扭转变形。因此,剪切变形及扭转变形是一般高层建筑的设计重点。剪切变形的控制主要是由竖向构件的数量来决定,如果竖向构件过多且布置不合理,则会产生过大的扭转变形,无法满足层间位移的要求。因此,高层建筑应该尽可能设计出最小的扭转变形,避免由于盲目增加竖向构件而影响整体刚度。

  3、剪力墙连梁超限的调整方法

  剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5,如果跨高比小于2.5则容易出现连梁弯矩和剪力超过规范限值。同时规定剪力墙不宜大于8m长度,倘若长度大于8m则应选用弱连梁将其分开。在实际工程设计中,需要充分利用相关设计规范和标准,谋求最佳的工程设计方案及工程造价,例如:将跨高比不高于5的连梁和剪力墙墙肢长度进行参数优化,获得连梁跨高比为6的框架梁,而保证刚度不发生任何折减和损耗,改良之后的钢筋及混凝土用量均小于前者,降低了工程投资额度。

  结束语:

  剪力墙结构因具有一定的经济性及安全性的优势,在高层住宅中得到了广泛的推广应用。在其设计过程中,必须把握剪力墙结构的刚度、自重、抗震力等,通过科学计算及结构优化,以促使建筑质量的整体实现。

  参考文献:

  [1]刘丽;黄翔;建筑结构设计策略研究[J];现代商贸工业;2011,(08).

  [2]张振山;鲁晟男;浅析高层建筑结构概念设计[J];才智;2011,(22).

  [3]刘跃平;高层建筑框支剪力墙转换层结构的设计[J];湖南工程学院学报(自然科学版);2009,(04).

  [4]李国强;崔大光;框支剪力墙抗震性能及弹塑性位移实用计算方法[J];同济大学学报(自然科学版);2010,(08)

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