提高剪力墻的結構效率,就要充分利用建筑的面寬!

在實際操作中,解決剪力墻工程問題時,相信很多結構工程師會遇到跟大白一樣的疑問:材料加在哪片橫墻上?或是哪片橫墻的翼緣上?是否存在一些指導性的原則?

大家都清楚,建筑專業對平面布局、功能需要和立面要求等等需求,限制了剪力墻結構的墻體位置、長度和開洞方式,各片橫墻的側移剛度難以相同。

在剛性樓蓋的約束下,整體結構協同受力并同步變形,結構的總側移剛度EJd為該軸方向上所有墻體側移剛度的和,即EJd=EJd1 …… EJdn。

單純從公式來看,加強任意一片剪力墻似乎都能提高整體剛度。

不過,大白在布置結構方案時,總會問自己這個問題:墻體材料的利用效率如何?是否發揮了最大剛度?

運用簡單的算例就可以答疑解惑:

假設一個高層剪力墻結構,橫軸方向上的平面最大寬度為15m、最小寬度為12m,其間布置兩片三肢聯肢墻(尺寸如下圖所示),各墻肢的截面尺寸相同,均為0.25×2.4m。

墻1和墻2的墻肢材料用量相同,等效抗側剛度指標如何?

高層混凝土結構教材都有求解方法,這里不再贅述,直接列出等效慣性矩結果:

對比發現:

消耗相同墻肢材料,滿跨布置于結構平面最大寬度上的組合橫墻(大白稱之為最優橫墻),可獲得最大的抗側剛度。

究其原因,是該墻體的肢強系數最大,其中起到關鍵作用的,是各墻肢形心與聯肢墻截面形心軸的距離。

距離越大,肢強系數越大,墻體剛度也就越大。

要提高剪力墻布置的結構效率,我們需要充分利用建筑的面寬來布置結構的橫墻。

這是大白構建剪力墻結構抗側力體系的首要原則。

如果剪力墻布置的結構效率考慮的是存量問題,接下來大白要回答的第二個問題,則是結構調整的效率問題,亦即增量問題:

在增加相同墻體材料情況下,哪片剪力墻的側移剛度增量敏感性高?

以上圖為基礎,調整橫、翼墻布置,形成兩種結構調整方案:

方案一:調整各墻肢截面尺寸至0.25×2.8m,即繼續加強橫墻的方案。

加強橫墻方案后,等效慣性變化為:

方案二:墻肢1,3上同時增設0.6×0.25m的翼墻,即增加翼墻共同作用的方案。

考慮翼墻共同作用后,聯肢墻的指標變化為:

上述算例說明:相較于其他橫墻,最優橫墻的側移剛度變化對增量結構材料更為敏感。

采用增強橫墻剛度的調整方案時,結構材料應優先設置于最優橫墻上;

采用增強翼墻共同作用的調整方案時,應在最優橫墻上遠離組合截面形心的墻肢端部處設置翼墻。

這是大白提高剪力墻調整效率的首要原則。

大白猜測,在結構工程學中,也存在著“馬太效應”。

這是一個廣泛存在于社會心理學、教育、金融以及科學領域的現象,名字來自圣經《新約·馬太福音》中的一則寓言:“凡有的,還要加倍給他叫他多余;沒有的,連他所有的也要奪過來”。

諾貝爾經濟學獎獲得者,美國哈佛商學院教授羅伯特·莫頓把馬太效應歸納為:任何個體、群體或地區,在某一個方面(如金錢、名譽、地位等)獲得成功和進步,就會產生一種積累優勢,就會有更多的機會取得更大的成功和進步。

最優橫墻利用結構的平面最大寬度,構建了自身的剛度優勢。結構調整時,不管是采用增強橫墻剛度或增強翼墻共同作用的方案,都應選擇最優橫墻作為首要的載體。

這種強者使之愈強的結構布置及調整策略,不正是馬太效應的在工程運用上的最好體現么?

根據大白以往的工程經驗,就算受限于建筑功能需求,無法構建以最優橫墻為主的結構抗側力體系。那么在結構調整時,仍然應以平面內側向剛度最大的主要橫墻作為載體,利用已經積累出來的剛度優勢,賦予新增的墻體材料,照樣可獲得較高的整體剛度增量。

一、構建剪力墻結構抗側力體系的首要原則:

充分利用建筑的面寬來布置結構的橫墻,提高剪力墻布置的結構效率。

二、提高剪力墻調整效率的首要原則:

采用增強橫墻剛度的調整方案時,結構材料應優先設置于最優橫墻上;

采用增強翼墻共同作用的調整方案時,應在最優橫墻上遠離組合截面形心的墻肢端部處設置翼墻。

總而言之:

充分利用結構工程中的“馬太效應”,提高結構調整的效率。

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