关键词:高层建筑;剪力墙;设计要点;受力分析;抗震设计;水平载荷
中图分类号:TU973文献标识码:A文章编号:1009-2374?15-0143-02
高层建筑是社会生产的发展和人类物质生活需要的产物,是现代社会工业化、商业化和城市化的必然结果。同时科学技术的进步、经济水平的提高也为高层建筑的发展提供了坚实的物质基础和技术保障。近年来随着国内外高层建筑事业的迅猛发展,现代化高层建筑正朝着建筑户型更加复杂,建筑功能更加多样化的综合性建筑的方向发展。这一方面可以提供高质量的工作与生活环境,印证了建筑设计以人为本的观念;另一方面却也导致建筑内部的结构受力复杂,设计方法更加复杂,降低了建筑的抗震性能。为适应高层建筑的设计需要,房屋结构形式也由简单的砖混结构变得日趋复杂,框架、剪力墙、框-剪、筒体等已变成当前建筑设计中的主要结构形式。
根据联合国科教文组织所属的世界高层建筑委员会的建议,一般将9层以上称为高层建筑,我国高层建筑混凝土结构技术规程第1.0.2条规定10层及10层以上或房屋高度超过28m为高层建筑;高层民用建筑设计防火规范2001年版规定10层及10层以上的居住建筑、建筑高度超过24m的公共建筑为高层建筑。
一、高层建筑的结构受力特点与支撑件
建筑结构所受的外力主要是来自于水平与垂直两个方向。低、多层建筑因为结构高度较低、平面尺寸较大,高宽比较小而且结构的风荷载和地震影响也很小,所以低层建筑的设计的主要考虑因素是如何抵抗竖向荷载。然而随着建筑高度的不断加大,其受力特点也在逐步发生变化,在设计时主要考虑水平荷载、轴向变形、侧移以及结构延性等方面:
水平荷载
对于一定高度范围的高层建筑而言,竖向荷载基本固定不便,而包括风荷载与地震作用的水平荷载的数值,则会随结构动力特性的区别而发生较大范围的变化。
轴向变形
高层建筑的竖向荷载一般较大,会在柱中引起相当大的轴向变形从而影响连续梁弯矩,同时还会影响预制构件的下料长度。因此必须考虑轴向变形计算值,对下料长度作出相应调整。
侧移的控制
结构侧移高层建筑结构设计的关键。随着楼房高度的增加,水平荷载下结构的侧移变形会随着建筑高度的升高而迅速增大。基于这一原因,水平荷载作用下的侧移必须严格控制在一定范围内。
结构延性
高层建筑比矮层楼房的结构更柔和,因此遇到地震等剧烈震动时所发生的形变会更大。为保证建筑在塑性变形阶段中仍能具备强变形能力,必须在结构设计上采取相应措施以保证结构的延性。
二、剪力墙结构的设计要点
高层建筑最主要的受力构件包括剪力墙、框架柱、梁和楼板。而剪力墙作为竖向构件是形成结构抗侧力刚度的最主要构件,它在建筑中承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载。当高层建筑的受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成所谓的剪力墙体系。在这个体系中单片剪力墙承受了全部的竖向荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构,作为一种良好的结构体系,其位移曲线呈弯曲型,它的强度、刚度都较高且具备一定延展性,传力直接均匀,有较好的整体性和较强的抗倒塌能力。其在高层建筑中的应用范围大于单纯框架或者框架-剪力墙混合体系。 剪力墙建筑结构的设计应从以下几个方面考虑:
剪力墙合理定位
剪力墙最好沿主轴方向或其他方向进行双向布置;对于抗震设计的剪力墙结构应特别避免仅单向有墙的结构布置形式。
1.对一般的矩形、L形、T形等平面则沿着两条轴线的方向进行布置。
2.对于部分三角形平面、Y形平面则可以沿其三个轴线方向布置。
3.对正多边形,圆形及弧形平面可沿径向及环向布置。
总之剪力墙的平面布置应本着尽可能均匀、对称的原则,尽量使墙面结构的刚度中心和质量中心完全重合,从而减少扭矩。而内外剪力墙应尽量拉通、对直。
剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙的抗侧力刚度不宜过大。为充分发挥剪力墙的抗侧力刚度和承载能力,增大剪力墙可利用空间,剪力墙的间距不宜太密,使结构具有适宜的侧向刚度。判断结构侧向刚度与剪力墙数量的适应程度,可以选用经验公式T=n,其中n为结构层数。公式计算出来的T1值与搭模计算的周期T2相比较,T1>T2则表示剪力墙偏多,可适当减少剪力墙数或开些适合的大洞来减小墙的刚度,反之则需要增加剪力墙数量。
剪力墙厚度确定
《高层建筑混凝土结构技术规程》中对剪力墙的截面尺寸具体规定如文献:“按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度,底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16,且不应小于200mm,其他部位不应小于层高或剪力墙的1/20,且不应小于160mm;按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度,底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20,且不应小于160mm,其他部位不应小于层高或剪力墙的1/25,且不应小于180mm。” 对于笔者前次设计的康定住宅楼,位于9度区,属一级抗震剪力墙,故1、2层底部加强部位剪力墙厚度采用250mm,3～12层剪力墙厚度采用200mm。
剪力墙中大墙肢处理
剪力墙的结构必须具备延展性,对于呈细高状的剪力墙很容易被设计成弯曲破坏的延性剪力墙,这样一来可以避免受到脆性的剪切破坏。在墙长度较长的情况下,为满足每墙段的高宽比均大于2,可以通过开洞的方式分割长墙为小而均匀的独立墙段。除此以外,在墙段长度较小时其受弯产生的裂缝宽度较小,可以充分发挥墙体配筋的支撑作用。
而对于剪力墙结构中,存在较少的长度大于8m的大墙肢,在理论计算中楼层的剪力大部分由这些大墙肢来承受。在发生地震特别是超烈度等强烈震动时,最容易受到破坏的便是这些大墙肢。小墙肢因没有足够的配筋,使整个墙面结构会受到全面破坏结构。为避免这种不利现象的发生,对于超过8m的墙肢长度,可以采取以下两种处理方法:
1.开施工洞:开施工洞即在施工时墙上留洞,完工时砌填填充墙,把长墙肢分成短墙肢。
2.开计算洞:是指在进行结构计算时设有洞,开始施工时仍为混凝土墙。但通过这样的计算方式,可以加强其它小墙肢的配筋能力。这种方式主要适用于地下室外墙等不易实施开洞的项目。
剪力墙连梁超筋的处理
对于在剪力墙结构设计中,连梁超筋作为常见现象实质上是剪力不满足剪压比要求。最易连梁超筋的地方,一般位于剪力墙结构中总高度1/3左右的楼层,比如15层的房子便是在5层。平面中当墙段较长时,超筋现象则多出现在其中部的连梁。尤其是墙段中墙肢截面高度大小相对悬殊时,容易在墙肢处发生连梁超筋现象。
剪力墙结构中连梁对剪切变形非常敏感,对于如何处理剪力墙连梁不满足连梁尺寸要求的情况,《高规》中提出了如下几种解决方案:
1.减小连梁的截面高度。
2.抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅。
3.当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时,可考虑在大震作用下该连梁不参与工作,按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析,墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋计算。
剪力墙墙身钢筋的分布及构造要求
《高规》中规定一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率,在一、二、三级抗震下设计时不应低于0.25%,而对于四级抗震设计和非抗震设计时则不应低于0.20%。
按照这一原则,笔者设计的位于9度区的一级抗震剪力墙,墙身分布钢筋配筋率必须大于0.25%。同时应注意这个配筋率是指“水平配筋率+垂直配筋率”的总称,具体在《混凝土结构设计规范》中也有具体条款规定。
三、结论
在高层建筑不断发展的需求下,如何在设计方面满足高层建筑的样式创新、功能需求以及结构安全性,追求新的结构形式和更加合理的模型将是未来的目标和方向。工程设计人员也必须充分理解新规范编制原理,将新高规和新抗震规范和工程实际情况紧密结合,不断提高工程设计水平。
参考文献
王法武.高层框架及剪力墙结构的侧移优化设计.工业建筑,2006,.
高层建筑混凝土结构技术规程.北京:中国建筑工业出版社,2002.
杨建国.论建筑结构设计中的概念设计.山西建筑,2007,33.
混凝土结构设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2002.
建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2008.
李国胜.多高层钢筋混凝结构设计中疑难问题的处理及算例.北京:中国建筑工业出版社,2004.
作者简介:陈崇冈?,男,上海人,中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司工程师,研究方向:房屋建筑结构设计。
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