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剪力墙结构的优化设计研究

2020-03-17 07:29:10

       引言
       随着我国经济社会的快速发展,城市土地越来越紧张,住宅类建筑向高层及超高层发展已成为趋势。一般的高层住宅多选用剪力墙结构体系,本人在工作实践中发现,同一建筑平面方案,不同的结构墙体布置其经济指标差异很大,主要是混凝土用量及含钢量差距很大。由于高层住宅建设的量大面广,若不注意提高设计水平则会造成很大的浪费,在地震区也未必对结构有利。本人曾参加过某住宅小区的设计投标,建设单位要求设计院进行初步计算并报出每平方米的用钢量及混凝土量。该小区有16层及12层高层住宅,抗震设防烈度为7度,场地类别为II类。我院报出的含钢量为45kg/m2,而参加投标的另两家设计院给出的含钢量为65kg/m2及60kg/m2,相差过于悬殊。经查看另两家设计院的图纸,剪力墙布置过多是造成结果相差悬殊的主要原因。〉〉建筑钢结构设计现状及存在的问题
       目前我国房地产业得到了迅猛的发展,不少房地产开发商要求设计单位为其节省工程投资,有些甚至要求限额设计,要求钢筋用量不得超过多少等等。作为一名猪构设计工作者,如何在激烈的市场竞争中立足,如何执行好国家各项设计规范,如何在保证结构安全的前提下使得结构设计经济合理,是值得我们思考的。俗话说“艺高人胆大”,这就要求我们对规范的条文有清楚的认识,理解规范的精髓,灵活运用。
       高层建筑剪力墙结构的概念设计
       《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)规定:高层建筑结构不应全部采用为短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时,应布置简体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与简体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时,简体和一般墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。一般认为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的40%~50%时属于短肢剪力墙结构。
       短肢剪力墙结构抗震性能较差,经济指标不好。如《高规》规定:抗震设计时其抗震等级比一般剪力墙提高一级,对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,其轴压比限值相应降低0.1;除底部加强部位外,其他各层短肢剪力墙的剪力设计值,一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2;短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率,底部加强区部位不宜小于1.2%,其他部位不宜小于1.0%,以上要求加大了剪力墙的截面厚度及配筋率,所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。
       设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布,尽可能将剪力墙的墙肢截面高度(至少保证一肢)做的比8倍墙厚稍大,符合一般剪力墙,剪力墙也不必按开间布置,两间合并布置为大开间剪力墙,同时满足竖向荷载传递的要求。剪力墙尽可能设计成“L”形、“T”形有利于剪力墙结构的稳定性,同时能够形成较好的侧向刚度。在同样满足规范的各项指标的情况下,更能减轻结构自重,减小结构构件,有利于降低工程投资。根据工程经验,对于“L”形、“T”形剪力墙,当一个方向的墙符合一般墙要求时,另一个方向的墙肢不宜过短,较小的墙肢常常会出现较大的配筋,一般宜控制在1m左右,使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。参见图1。 〉〉钢筋混凝土高层建筑结构设计有关问题探讨
 


       剪力墙结构设计计算原则
       剪力墙结构设计时,应根据规范要求综合考察结构是否合理,比如说剪力墙结构刚度不宜过大,应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标,使计算结果接近规范限值(不小于限值),同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值。其次,考察剪力墙底部加强区的轴压比是否满足(对抗震等级为一、二级的剪力墙),剪力墙连梁是否超限等。要控制好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,A级高度的剪力墙结构不应大于0.9;在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.5倍(一般情况情况宜控制在1.2左右,特别不规则平面也宜控制在1.4以内)。〉〉建筑工程项目设计方案优化控制成本
 


       以下再较细致的分析剪力墙结构设计中需重点关注的各种技术指标的调整方法。
       楼层最小剪力系数(剪重比)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的不超过40%的前提下尽可能少布置剪力墙,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规范限值(不小于限值)。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。
       楼层层间最大位移与层高之比(位移)的调整原则:规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时,除以弯曲变形为主的高层建筑外,可不扣除结构整体弯曲变形;应计入扭转变形。由此可见,对于一般的高层建筑,重点是楼间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的,但竖向构件足够多(剪重比偏大)而布置不合理,则会造成扭转变形过大,同样不能满足层间位移的要求。因此,对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小,而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。
       在实际工程设计中常常遇到如下情况:一些设计人员看到某一方向(X向或Y向)层间位移不满足规范要求,于是不断增加该向的侧向刚度;这样做是可以解决问题的,但应注意此时结构的剪重比是否较大,若与规范限值接近则可行,若剪重比已经较大,则不应当一味的增加,要学会用加法的同时也要学会用减法,即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结果。
       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,在地震中破坏严重,因此应保证结构的抗扭刚度不能太弱。结构的扭转效应应从以下两方面加以限制:首先,限制结构平面的不规则性,避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应,扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响;其次,限制结构的抗扭刚度不能太弱,关键是限制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。
       在实际工程设计中,应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置,这样即可以提高结构的侧向刚度,同时又能够较大幅度的提高结构的抗扭刚度;若在结构的形心附近加大竖向构件刚度,则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献甚微。
       在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比(位移比)的调整原则:该指标的调整应结合位移及扭转比的调整同时行,也可在位移及扭转比满足的情况下做微调。当计算结果一向(X向或Y向)位移比需调整时,可以加大该侧的抗侧力构件刚度(增加剪力墙或加大连梁高度),也可减小对应一侧的抗侧力构件刚度(减少剪力墙或减小连梁高度),这两种方法都可以达到调整的目的。但当具体工程层间位移已接近规范限值,而又在扭转比较大一侧无法增加抗侧力构件刚度(增加剪力墙或加大连梁高度)时,该如何解决呢?
       谈交叉斜撑构件在高层建筑剪力墙体系中的应用。
       实际工程概况:
       某工程位于抗震设防烈度8度区,地震基本加速度值为0.20g,场地类别为II类,地下一层,地上二十八层,层高2.9m,标准层平面见图2。
 


       从该平面中可以看出,A轴上剪力墙过少,而对称一侧M轴上剪力墙较多,从而造成位移及扭转比不能满足规范要求。通过尝试加厚A轴剪力墙厚度、增加洞口上连梁高度、在⑧-⑩轴间层层设置拉梁三种措施,均不能得到合理的计算结果;说明A轴结构抗侧力刚度过小,如何提高该侧的抗侧力刚度成了问题的关键。笔者将高层钢结构设计中钢框架一支撑体系的概念借鉴到该工程的剪力墙结构设计当中,即在⑧-⑩轴间每隔两层设置一道两层通高的“X”撑,“X”撑上下端同时设置水平拉梁(见图3)。计算表明,“X”撑设置后结构层间位移明显改善,结构的扭转比得到非常明显的变化;说明设置“X”撑后对A轴一侧的抗侧力刚度有很大的贡献,同时不影响建筑功能,且丰富了建筑立面,将结构受力构件与建筑美学很好的结合在了一起,使得建筑与力学得到了完美的统一。按设置“x”撑后修改的建筑彩色效果图得到了建设单位及当地规划主管部分的认可,目前该工程已经主体封顶,得到了使用单位的好评。
       剪力墙连梁超限的调整原则:剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5,跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。〉〉建筑工程中地下室结构优化设计探析
       《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m,当大于8m时宜采用弱连梁将其分开。该条文中所说的剪力墙长度应当不只是单片实体剪力墙,而应包括含跨高比不大于5的连梁在内的联肢墙。
       《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5-6之间时,若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用,则对节省工程造价也有非常明显的影响,即将跨高比不大于5的连梁(刚度需折减)和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁(刚度不折减),而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者,这对于节省工程投资具有很重要的意义。〉〉重庆高层民用建筑设计防火新规征求意见
       剪力墙结构的地基基础设计
       高层建筑往往带有地下室,对于地基条件较好,可以采用天然地基或复合地基的建筑,当建筑层数为十多层时,一般采用梁板式筏形基础较为经济(因为平板式筏基会因为剪力墙间距较大而造成筏板受力不均匀而增加板厚);当建筑层数为二十多层时,一般采用平板式筏形基础较为合理。以上基础形式的确定主要是和剪力墙的间距有关,并根据结构的抗震设防烈度、层数、是否为人防地下室综合确定。
       若地基条件不好需采用桩基础,可根据单桩承载力特征值大小,对于小高层采用独立桩基承台加构造梁板;对于高层采用沿墙下承台梁布桩加构造底板,不宜采用满堂布桩方案(承台筏板较费)。
       结语
       高层建筑剪力墙结构应用量大,应进行反复的优化设计,在重视概念设计的前提下,认真调整各项技术参数,使结构达到相对较优的结果;只有这样,才能即保证结构安全合理又能为社会节省大量的投资,这是我们每位结构设计工作者应尽的职责。
       以下是笔者多年设计剪力墙结构总结出的含钢量及混凝土折算厚度指标供同行参考使用。以上统计条件按:场地类别为II类,楼板、墙用HPB235级钢筋,梁、剪力墙边缘构件、基础用HRB335级钢筋(8度区用HRB400级钢筋)。其中层数较高、地下室为六级人防工程、采用桩基础、平面不规则时接近上限。 

       〉〉OptiStruct在超高层建筑结构优化中的应用

       〉〉多高层框架剪力墙结构整体优化设计理论 

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