剪力墻結構的優化方法

轉載至《高層混凝土結構優化設計方法探討》

《建筑結構》2016 年 11 月

剪力墻結構是一種常見結構形式,特別是在量大面廣的高層住宅中廣泛應用。剪力墻結構由于梁和板的跨度不大,梁和板的優化空間相對較小。

下面從墻肢布置、結構計算參數取值、性能控制指標( 如位移角) 三個方面討論剪力墻結構的優化方法。

1 平面布置原則

墻肢布置的優劣直接從宏觀上影響整個建筑結構的力學性能和經濟指標,因此優化布置是進行剪力墻結構優化設計的關鍵。剪力墻布置宜遵循如下四點原則。

1. 1 墻肢對齊布置

剪力墻構件作為高層剪力墻結構主要的抗側移構件,進行結構設計時應充分發揮墻肢間的聯動效用。因此進行結構布置時,同一方向的墻肢宜均勻布置,在平面上形成多道聯肢剪力墻協同工作,盡量避免剪力墻錯位布置。如圖 1 所示的某高層住宅結構平面 Y 向存在 4 片墻肢剛好錯位布置的情況( 圖1 中框起部分的墻肢) 。稍微調整該墻肢的位置,可形成 2 道聯肢剪力墻,則對齊布置的計算模型局部側向剛度可增加 10% 。

1. 2 墻肢均勻布置

高層建筑結構在滿足承受豎向荷載和結構抗側移剛度的需要外,還應具有一定的抗扭轉剛度。具體設計過程中,可通過適當加強周邊剪力墻以及外圈梁,調整結構剛度中心與結構平面幾何形心、質量中心的 相 對 位 置,盡 量 做 到“三 心”重 合 的 理 想效果。

1. 3 避免使用短肢剪力墻或長墻

由于短肢剪力墻的延性較差,且構造要求高,鋼筋用量較大,結構布置時應避免使用短肢剪力墻。墻肢長度過長,剛度過大,會造成地震力比較集中。剪力墻結構中如果存在少量長墻,地震作用下的樓層剪力主要由這部分長墻承受,發生超烈度地震時該部分墻肢由于承受巨大的地震力往往首先破壞,由于其他墻肢的承載力較弱,容易造成剪力墻墻肢由強到弱各個擊破的破壞形式,最終導致結構倒塌。因此,進行剪力墻結構布置時宜使各墻肢剛度

接近,盡量避免使用長墻。

1. 4 優先采用帶翼緣墻

L 形、T 形的剪力墻因墻肢端部的翼墻起到扶壁作用,穩定性較好,同時也比較容易滿足框架梁搭接在剪力墻端部時鋼筋的錨固長度要求,進行結構布置時宜優先采用,L 形、T 形墻的翼墻長度可控 制 在 0. 5 ~ 1. 0m,翼 墻 長 度 越短,則 配 筋越少。

2 計算參數的敏感性

對剪力墻結構鋼筋用量敏感的參數包括: 周期折減系數、連梁剛度折減系數、梁剛度增大系數、考慮壓筋影響的梁配筋計算、考慮樓板作為翼緣的梁配筋計算、樓板計算假定、次梁的抗震等級等。限于篇幅,以下選取周期折減系數、樓板計算假定和次梁的抗震等級進行分析。

2. 1 周期折減系數

周期折減系數不影響結構剛度,但影響結構的地震效應大小。周期折減系數可通過軟件計算得到,如采用 GSSAP 軟件分別計算有填充墻模型和無填充墻模型的第一周期,以這兩個周期的比值作為折減依據。

某 12 層剪力墻結構三維計算模型如圖 2 所示,該結構填充墻比較多,計算得到的周期折減系數為0. 95。某 32 層剪力墻結構三維計算模型如圖 3 所示,該結構填充墻比較少,計算得到的周期折減系數為 1. 0。兩模型的計算結果見表 1。

工程實踐表明,周期折減系數每下降 0. 1,基底地震剪力增加 3% ~ 10% ,地震力的增大將會導致配筋增大。因此,周期折減系數應慎重選取,一般剪力墻住宅結構可取 0. 95。也可通過計算結構( 考慮填充墻剛度) 的基本周期來確定。

2. 2 樓板計算假定

在結構整體計算中,一般情況下樓板可采用剛性板或彈性板假定。剛性板假定下可通過梁剛度放大系數考慮樓板的剛度貢獻,而彈性板假定下,樓板與梁共同工作,較真實地考慮了樓板面外剛度的貢獻。采用不同的樓板假定所計算得到的梁板內力分配不同,從而梁板的計算配筋也不同。

某 32 層剪力墻住宅結構,其標準層結構平面布置圖如圖 4 所示,樓板分別采用剛性板( 中梁剛度放大系數取 1. 8) 和彈性板( 殼元) 假設進行計算,得到的結構第一周期分別是 2. 784s 和 3. 025s,可見,基于彈性板假定的結構整體剛度比剛性板假定大,基于彈性板假定計算結果進行設計比基于剛性板假定要節省鋼材,每平方米梁鋼筋用量減少約 2kg。

2. 3 次梁的抗震等級

采用常用設計軟件建模時,與墻相連的梁的建模一般按主梁輸入,是否按次梁設計由軟件判斷或工程師指定。次梁是非抗震構件,若按抗震構件設計將提高梁的最小配筋率和其他構造要求。當前全國各地對次梁的判斷有如下 5 種選擇( 按次梁數量從少到多排列) : 1) 所有與墻肢垂直相連的梁判斷為框架梁; 2) 有一端與墻垂直相連的梁判斷為次梁; 3) 兩端與墻垂直相連的梁判斷為次梁; 4) 一端與墻方向一致,另一端搭在梁上的梁判斷為次梁;5) 一端與墻方向一致,另一端不論如何搭接均判斷為次梁。目前多數采用第 3 種情況,即兩端與墻垂直相連的梁判斷為次梁。

3 不同層間位移角的材料用量比較

某品字形高層住宅,結構總高度為 97. 5m,地下1 層,地上 32 層,首層層高 4. 5m,標準層層高 3m,結構平面布置如圖 5 所示。本工程位于 7 度區,基本地震加速度 0. 10g,Ⅱ類場地,設計地震分組為第一組,基本風壓 0. 30kN /m2 ,地面粗糙度為 B 類。

通過修改抗側力構件的截面尺寸和局部調整結構布置,使得結構在多遇地震作用下的最大層間位移 角 分 別 滿 足 1 /700,1 /800,1 /1 000,1 /1 300,1 /1 600的限值要求。

由表 2 可知,層間位移角按 1 /1 300 的限值控制的鋼筋用量最少,層間位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少。可見,結構剛度越大,剪力墻用鋼量越大,梁用鋼量越小,但混凝土用量越大。比較材料總造價,則層間位移角限值越大越節省材料用量; 若執行《高層建筑混凝土結構技術規程》( JGJ 3—2010) ( 簡稱高規) ,則層間位移角接近1 /1 000 限值時材料用量最節省; 若執行廣東省高規 ,則層間位移角接近 1 /800 限值時材料用量最節省。

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