高層建筑結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻設(shè)計(jì)發(fā)展
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隨著人們對多樣化高層住宅結(jié)構(gòu)的需求不斷提高，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們的要求。單一的結(jié)構(gòu)模式各有利弊，這要求設(shè)計(jì)人員采取更加合適的平面布置，在既滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，也能夠很好的利用建筑的空間結(jié)構(gòu)。為了滿足這一要求，設(shè)計(jì)人員科學(xué)地引用了短肢剪力墻作為高層建筑結(jié)構(gòu)的主要形式利用在工程實(shí)例當(dāng)中，在一定層面上推動(dòng)了現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，但在某些方面還略顯不足，針對短肢剪力墻應(yīng)用的研究還比較匱乏，沒有足夠支撐其體系的龐大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。還需要通過更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、工程實(shí)例來論證，促進(jìn)理論與實(shí)際工程進(jìn)一步提升，從而為我國建設(shè)出更多高品質(zhì)高層建筑。
在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（征求意見稿）中，定義短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比5到8之間的剪力墻且墻體的厚度不小于200mm。在受力性能分析下，短肢剪力墻的變形能力和墻肢承載力較大，故不能按照設(shè)計(jì)壁式框架的理念來設(shè)計(jì)；同時(shí)考慮到短肢剪力墻所開的洞口并不是用來安裝門窗的，而是作為設(shè)置砌體填充墻設(shè)置的，所以要求洞口盡量大一些，故不能設(shè)計(jì)為整體小開口的形式；故更加安全和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念是將其設(shè)計(jì)為聯(lián)肢墻的形式。其平面布局更多采用Z字型、T字型、L字型以及十字型，因?yàn)闃?gòu)成這些剪力墻的墻肢較為短小，應(yīng)該盡量保證結(jié)構(gòu)布置較為對稱與均勻，達(dá)到剛度和抗震的基本要求。同時(shí)在地震狀態(tài)下，短肢剪力墻的墻肢會出現(xiàn)受彎狀態(tài)，故此狀態(tài)下墻肢的延性較好。但是過多的短肢剪力墻會影響整體建筑物的抗震性能，應(yīng)該綜合考慮其影響。
高層建筑結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻的設(shè)計(jì)特點(diǎn)概述
短肢剪力墻的分布主要在內(nèi)部分隔墻的交界處，由于主要承擔(dān)抗側(cè)向力的任務(wù)，應(yīng)該設(shè)計(jì)適當(dāng)大小和數(shù)量的墻肢來滿足結(jié)構(gòu)的需要，通過布置一系列連系梁來構(gòu)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。因?yàn)槎讨袅砜拐鹦阅懿畹牟蛔悖屎侠淼牟贾门c設(shè)計(jì)顯得尤為重要，可概述為以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，之所以運(yùn)用短肢剪力墻就是要發(fā)揮其能夠充分利用空間的特點(diǎn)，能夠較好的滿足建筑功能的需求，解決了平面布置與建筑相沖突的矛盾，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了用戶滿意度與經(jīng)濟(jì)使用價(jià)值。第二，在具體建筑設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)靈活性較大，可以選取不同的短肢剪力墻設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行多種布置，根據(jù)不同的布置來完成不同的空間需求，更好的完成豎向承載、支撐樓蓋的效果。第三，在短肢剪力墻的計(jì)算中，會出現(xiàn)較大的反彎點(diǎn)，使其類似于一個(gè)異形柱，將會承擔(dān)較大的剪力和軸向力。因此在計(jì)算中需要考慮不同荷載情況下的極限情況，例如進(jìn)行偏心受壓、偏心受拉以及斜截面受剪和軸心受壓等不同受力模式下的驗(yàn)算。當(dāng)此片短肢剪力墻上受到集中作用力時(shí)，還應(yīng)該進(jìn)行局部受壓驗(yàn)算，通過一系列構(gòu)造要求來使短肢剪力墻達(dá)到抗震承載力的要求。第四，運(yùn)用短肢剪力墻可在一定程度上減少剪力墻整體數(shù)量的使用，但是過多短肢墻會對抗震有著不利影響，避免布置剪力墻于結(jié)構(gòu)的兩端或者外邊緣，在抗震驗(yàn)算中，地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會使短肢剪力墻的翹曲變形變得更加突出。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形成危險(xiǎn)破壞，可利用有效的構(gòu)造設(shè)計(jì)來對局部進(jìn)行加強(qiáng)，使其抗震性能有所改善。第五，本身短肢剪力墻可以使用自重比較輕的建筑材料，保證其承載能力達(dá)到要求后，使用的鋼筋量有所減少，提高其經(jīng)濟(jì)效益。
高層建筑結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻的設(shè)計(jì)布置原則
首先在整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)中，短肢墻的數(shù)量應(yīng)該適中，過多的短肢墻會不滿足抗震的基本要求，要在滿足抗側(cè)力和豎向荷載的要求下，綜合考慮做出合理布置。其次，均勻性是另一個(gè)重要因素，只有短肢墻的布置盡量均勻才能做到軸向應(yīng)力不相差懸殊，可以很好地支撐起樓蓋。再次，在設(shè)計(jì)短肢剪力墻時(shí)，應(yīng)該做到盡量地拉直，對齊，使其與相應(yīng)連梁一同構(gòu)成比較整齊、能夠一同抵抗側(cè)向力的組合結(jié)構(gòu)。除此以外，對于有抗震要求或者風(fēng)力較大的要求，應(yīng)該在平面外邊緣以及角點(diǎn)處布置必要的短肢墻，達(dá)到局部穩(wěn)定以及保證完整性和滿足平面剛度的要求。最后，不能設(shè)置過厚的墻肢，盡量保證不會比間隔墻厚或者薄，使之穩(wěn)定性較好且施工難度小。
短肢剪力墻的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢
對于短肢剪力墻的數(shù)量進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量設(shè)計(jì)，要以國家現(xiàn)行的規(guī)范作為指導(dǎo)依據(jù)，并在實(shí)際工程實(shí)踐中總結(jié)一般經(jīng)驗(yàn)，通過概念設(shè)計(jì)和軟件計(jì)算相結(jié)合的方式對短肢剪力墻的數(shù)量進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，應(yīng)準(zhǔn)確確定每部分剪力墻的何時(shí)長度，在剛度合理水平下，要同時(shí)關(guān)注結(jié)構(gòu)的柔性程度，避免過于柔性，影響其抗側(cè)力要求。優(yōu)化其水平布置，使短肢剪力墻與一般普通剪力墻在一定程度上形成穩(wěn)定整體，協(xié)同工作，達(dá)到較好的抗震性能。完善短肢剪力墻平面布局在對剪力墻進(jìn)行平面布置的時(shí)候，要遵循剪力墻的布置均勻性，設(shè)置在合理的位置，避免集中或者分散，合理考慮短肢剪力墻的剛度以及其重心位置，保證勻稱結(jié)構(gòu)不易發(fā)生變形?？紤]到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題，需要控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對于各條軸線，盡量使其水平抗側(cè)構(gòu)件均勻?qū)ΨQ分布。同時(shí)也要考慮到高度對于整體結(jié)構(gòu)的影響，若有A級高度，則需要考慮偶然偏心現(xiàn)象，控制層間位移和最大水平位移就起到關(guān)鍵決定因素。這里可以采用SATWE分析軟件進(jìn)行短肢剪力墻的仿真分析，設(shè)計(jì)效率大大提高。最后應(yīng)考慮到剪力墻的軸壓比，應(yīng)該依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，得到安全墻厚。
結(jié)束語
在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，短肢剪力墻的相關(guān)設(shè)計(jì)一直是個(gè)困擾設(shè)計(jì)者的問題。怎樣綜合發(fā)揮出短肢剪力墻節(jié)省空間，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)勢；怎樣避免由于地震不利影響而造成的安全隱患。通過本文的探討和分析，可知合理的進(jìn)行平面布置，控制整體布置的對稱和均勻，以及進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算與推導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使短肢剪力墻的抗震性能有明顯提升，實(shí)現(xiàn)在工程中的推廣運(yùn)用。
作者：皮澤坤 阮大為 單位：北方工業(yè)大學(xué)
