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高层剪力墙结构住宅的优化设计研究姚泽辉

发表时间：2021/7/28 来源：《基层建设》2021年第14期作者：姚泽辉

[导读] 城市化水平的不断提高，使我国高层建筑建设规模也越来越大。剪力墙作为高层建筑中的重要组成部分，加强优化设计对于提高高层建筑建设质量、节约建设成本具有重要意义

        佛山市城筑联合建筑设计有限公司
        摘要：城市化水平的不断提高，使我国高层建筑建设规模也越来越大。剪力墙作为高层建筑中的重要组成部分，加强优化设计对于提高高层建筑建设质量、节约建设成本具有重要意义。鉴于此，为将剪力墙结构在高层建筑中的作用充分发挥出来，首先要了解剪力墙结构的特点，然后立足于剪力墙结构的设计原则，加强剪力墙结构的进一步优化，旨在能够使高层建筑剪力墙结构性能大大提升。
        关键词：高层；剪力墙结构；住宅；优化

        高层建筑数量的不断增多，不仅表明我国现代化、工业化发展十分迅速，还体现出我国建筑科技水平也越来越高。随着高层建筑的逐渐普及，人们对生活质量的要求也越来越高，更加关注自身权益，进而对高层建筑也有了越来越高的要求，更加关注于建筑的抗震性和经济性。剪力墙结构作为高层建筑中的关键环节，不仅决定着整体建筑结构的稳定性，而且还承担着风力荷载、水平荷载以及竖向荷载等作用[1]。因此，要加强对剪力墙结构的研究分析，并及时优化各个环节，旨在能够使其经济性和抗震性大大提升。
        1 剪力墙结构概述
        1.1 剪力墙的概念
        所谓剪力墙，主要指的是房屋或者构筑物中，用来承受地震引起的水平荷载、竖向荷载或者风荷载的墙体，用于防止出现结构剪切破坏的情况。
        剪力墙也被称为结构墙、抗震墙或者抗风墙。在建筑物中，剪力墙主要发挥着维护、分隔的作用，因此，在布置墙体过程中，注意要以建筑平面布置、结构布置的要求为依据进行布置。
        1.2 剪力墙的特点
        剪力墙主要具备以下几点特点[2]：
        ①剪力墙结构体系的承载能力比较高，而且具有很好的空间作用和整体性；
        ②剪力墙具有侧向刚度大的特点，水平荷载作用下侧移小；
        ③剪力墙间距具有一定限制，对建筑平面的布置缺乏灵活性，适用建筑受限，主要应用于公寓、住宅以及旅馆等；
        ④剪力墙结构具有空间利用好，节约层高的特点，其楼盖结构主要采用平板，未设梁，所以空间较大。
        1.3 剪力墙结构设计的计算要点分析
        1.3.1 计算的一般要求
        ①剪力墙选择分析模型
        剪力墙计算咋选择分析模型时需要考虑的：选择能够将结构中各个构件的受力情况直接反映出来，同时还可以满足三维空间分析软件，进而能够实现整体的完整分析，准确判断计算结果，确认有效、合理后，方可将该计算结果作为工程设计的参考标准。
        ②剪力墙的抗震计算
        对单向地震进行计算时，要考虑到偶然偏心的影响，对于结构布置复杂、体型复杂、B级高度建筑，至少要采用两个不同力学模型的结构分析软件对整体进行计算；此外，还要考虑到平扭耦联计算结构的扭转效应。确保以上条件均能够满足相关标准需求。除了以上条件外，还要求振型数要大于15，多塔楼结构振型数要大于塔数目的9倍以上。对振型数进行计算时，要保证在总质量中，各振型参与质量之和在十分之九以上[3]。
        还要进行补充计算工作，正常情况下主要采用弹性时程分析法计算；非正常情况下，主要采用弹塑性动力分析法或者弹塑性静力法进行补充计算。
        对建筑中带转换层进行计算时，主要采用的是有限元方法，补充计算结束后，再根据应力对配筋进行设计、校核工作。
        1.3.2 计算中对内力进行的调整
        进行抗震设计时，要严格遵循相应原则，也就是强剪弱弯。因此，也就说明对实配受弯钢筋多次反复计算之后才会得出准确的剪力设计值。为保障数值计算的准确性，我国专门出台了相关的计算设计剪力值的标准，计算方式为计算组合的剪力与增大系数的积为最终计算结果。
        如果高层结构有转换层，那么建筑的框支柱所承受的地震剪力也存在比较大的差异。为避免该差异的出现，取值时一定要将标准作为主要参考依据 [4]。
        对剪力墙的其他部位弯矩进行调整，计算弯矩值要严格按照截面组合进行，计算出的数据再乘以相应的增大系数；此外，还要实时调整剪力墙底部，并将各个截面的剪力值计算出来。
        2 高层建筑剪力墙结构设计的基本原则
        2.1 具有数量合理原则
        对高层建筑进行设计时，立足于抗震性能角度分析，所应用到的剪力墙数量越多，那么说明结构抗侧力也会更高，抗震性能也就越强。立足于经济效益角度分析，同样的，应用到的剪力墙数量越多，那么也就不可避免的会使用到多种材料，进而会导致成本大大增加。
        因此，在对剪力墙结构进行设计时，要严格遵循数量合理的原则，尽量用最少的材料满足设计规定标准。
        2.2 具有结构对称原则
        剪力墙结构的对称性不仅会对建筑平面布置产生直接影响，而且还会影响到高层建筑的正常使用。相对于对称建筑，剪力墙结构实现对称比较容易；但是对于T型建筑、曲线形建筑、L型建筑等不对称建筑而言，要想实现内部结构对称，需要通过跳帧共建立强的布置，进而使刚度的影响大大降低，还可以减少结构扭转效应。
        2.3 具有刚度均匀的原则
        如果是处于同一主轴方向，那么要尽可能的保障建立强抗侧刚度的均匀性，防止由于某个部位的剪力墙设置过长，对整体抗侧刚度与抗震性能产生影响。
        假如某个部位剪力墙墙肢较长，那么发生地震时，该墙肢会吸收较多地震能力，进而不仅会导致出现结构被破坏的情况，还会对和其相连接的墙肢产生影响，最终影响整个剪力墙结构。鉴于此，一定要将刚度均匀的原则应用到剪力墙结构设计过程中。
        3 高层剪力墙结构住宅的优化设计措施
        与高层建筑剪力墙设计的基本原则相结合，并安排专人负责高层建筑剪力墙结构的优化工作，要严格与实际情况相结合，不管细节还是整体，站在最优角度，优化设计防水和设计内容，最终达到提高高层建筑剪力墙结构稳定的目的 [5]。
        3.1 对剪力墙结构布置进行优化设计
        对剪力墙结构进行布置设计时，传统剪力墙结构布置更多的会站在经济性角度考虑，很容易使高层建筑抗震性能大大降低，进一步对建筑稳定性产生影响。因此，为使剪力墙结构达到最优，要注重考虑以下几点：
        ①对剪力墙结构需要承受的各种荷载进行综合分析，并立足于高层建筑自身曲线情况，确保剪力墙结构布局合理的基础上，最大程度增强剪力墙结构稳定性。
        ②设计人员除去设计相关内容之外，还要全方位、全面性的分析建筑内应力的分布情况，从横向、竖向角度来分析，并且根据各个方位的应力分布情况，选择最佳位置对剪力墙结构进行布置，确保将剪力墙结构的作用充分发挥出来。
        ③确定剪力墙结构类型，一定要和建筑实际情况相结合，选择最适宜的结构类型。如果局部空间较大，那么就选择框架-剪力墙结构；如果对内应力分配和刚度的需求较高，那么短肢剪力墙是最佳选择。具体见下图：